Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bai giang Vat lieu ky thuat

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bài giảng Vật liệu kỹ thuật

cũng như các loại vật liệu mới

Môn vật liệu học sẽ trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản của các loại vật liệu chính: tinh thể, các hợp kim, bán dẫn và ion, cộng hóa trị cũng như kiến thức về xử lý nhiệt của chúng Mục đích của môn học này giúp cho sinh viên hiểu rõ các loại vật liệu khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa cấu trúc (liên kết hóa học, kiểu mạng tinh thể) và cơ lý tính, thực hành được các thí nghiệm cơ bản để xác định cơ tính của vật liệu và biết lựa chọn vật liệu phù hợp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng sau này Khi nghiên cứu một vật liệu bất kỳ chúng ta đều dựa vào bốn cực cơ bản sau đây : Kết cấu của cấu trúc, các tính chất, sự tổng hợp các phương pháp gia công và hiệu quả sử dụng của nó Một sản phẩm có thể gồm hàng chục loại

vật liệu khác nhau tạo nên Ví dụ ô tô RENAULT

CLIO 1,2 RN của Pháp cần mười một loại vật liệu:

1- Thép tấm 40,9% 2-Thép hình 10,9%

2-Gang 11,3% 4-Hợp kim nhôm 4,2%

5-Các kim loại màu khác 3,9%

6-Chất dẻo 10,2% 7-Chất dẻo đàn hồi 3,4%

8-Vật liệu hữu cơ khác 3,4%

9-Thủy tinh 4,2% 10-Sơn 1,7%

11-Chất lỏng 5,9%

Yêu cầu của một cán bộ kỹ thuật, ngoài khả năng hiểu biết về chuyên môn sâu của ngành học, còn phải nắm được những tính chất cơ bản của các loại vật liệu để từ đó có thể sử dụng một cách hợp lý nhất nhằm nâng cao tuổi thọ của máy móc, công trình, hạ giá thành sản

MỤC LỤC

TỔNG QUAN 15

1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU 15

1.1.1 Khái niệm chung 15

1.1.2 Phân loại vật liệu 15

1.1.2.1 Vật liệu kim loại 15

1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc 16

1.1.2.3 Vật liệu hữu cơ – polyme 16

1.1.2.4 Vật liệu kết hợp – compozit 16

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU 17

1.2.1 Giai đoạn tiền sử của loài người 17

1.2.2 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm 18

1.2.3 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liêu theo kiến thức khoa học 18

1.3 Nội dung môn học 19

1.3 Nội dung môn học 20

CHƯƠNG 21CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH 21

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử 21

1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn 21

1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị 21

1.1.2.2 Liên kết ion 21

1.1.2.3 Liên kết kim loại (hình 1.3) 22

1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp 22

1.1.2.5 Liên kết yếu (Van der Waals) 22

1.2 Sắp xếp nguyên tử trong vật chất 22

1.2.1 Chất khí 22

1.2.2 Chất rắn tinh thể 22

1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể 22

1.2.3.1 Chất lỏng 23

1.2.3.2 Chất rắn vô định hình 23

1.2.3.3 Chất rắn vi tinh thể 23

1.3 Khái niệm về mạng tinh thể 23

1.3.1 Tính đối xứng 23

1.3.2 Ô cơ sở - ký hiệu phương, mặt tinh thể 24

1.3.2.1 Ô cơ sở 24

1.3.2.2 Nút mạng 24

1.3.2.3 Chỉ số phương 24

1.3.2.4 Chỉ số Miller của mặt tinh thể 25

1.3.2.5 Chỉ số Miller - Bravàis trong hệ lục giác 25

1.3.3 Mật độ nguyên tử 26

1.3.3.1 Mật độ xếp 26

1.3.3.2 Số phối trí (số sắp xếp): 26

1.3.3.3 Lỗ hổng 26

1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 26

1.4.1 Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguyên chất) 26

1.4.1.1 Lập phương tâm khối A2 26

1.4.1.2 Lập phương tâm mặt A1 27

1.4.1.3 Lục giác xếp chặt A3 28

1.4.2 Chất rắn có liên kết đồng hóa trị 28

1.4.2.1 Kim cương A4 28

1.4.2.2 Mạng grafit 29

1.4.2.3 Cấu trúc của sợi cacbon và fullerene 29

1.4.2.4 Cấu trúc của SiO2 29

1.4.3 Chất rắn có liên kết ion 30

1.4.4 Cấu trúc của polyme 30

1.4.5 Dạng thù hình 30

1.5 Sai lệch mạng tinh thể 30

1.5.1 Sai lệch điểm 31

1.5.1.1 Nút trống và nguyên tử tự xen kẽ (Hình 1.17a) 31

1.5.1.2 Nguyên tử tạp chất 31

1.5.2 Sai lệch đường - Lệch 31

1.5.2.1 Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line) (hình 1.18a) 31

1.5.2.3 Lệch xoắn (screw dislocation) (hình 1.19a) 32

1.5.2.4 Đặc trưng về hình thái của lệch 32

1.5.3 Sai lệch mặt 32

1.6 Đơn tinh thể và đa tinh thể 33

1.6.1 Đơn tinh thể 33

1.6.2 Đa tinh thể 33

1.6.2.1 Hạt 33

1.6.2.2 Độ hạt 33

1.6.2.3 Siêu hạt 34

1.6.3 Textua 35

1.7 Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại 35

1.7.1 Điều kiện xảy ra kết tinh 35

1.7.1.1 Cấu trúc ở trạng thái lỏng 35

1.7.1.2 Biến đổi năng lượng khi kết tinh 35

1.7.1.3 Độ quá nguội 35

1.7.2 Hai quá trình của sự kết tinh 36

1.7.2.1 Tạo mầm 36

1.7.2.2 Phát triển mầm 36

1.7.3 Sự hình thành hạt 36

1.7.3.1 Tiến trình kết tinh 36

1.7.3.2 Hình dạng hạt 37

1.7.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc 37

1.7.4.1 Nguyên lý 37

1.7.4.2 Các phương pháp làm hạt nhỏ khi đúc 37

1.7.5 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc 38

1.7.5.1 Ba vùng tinh thể của thỏi đúc 38

1.7.5.2 Các khuyết tật của vật đúc 38

CHỮƠNG 2BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH 41

2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy 41

2.1.1 Khái niệm 41

2.1.2 Trượt đơn tinh thể 42

2.1.2.1 Các mặt và phương trượt 42

2.1.2.2 Ứng suất gây ra trượt 42

2.1.2.3 Tính dễ trượt, cơ chế trượt 43

2.1.3 Trượt đa tinh thể: 43

2.1.3.1 Các đặc điểm 43

2.1.3.2 Tổ chức và tính chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo 44

2.1.4 Phá hủy 44

2.1.4.1 Tải trọng tĩnh 45

2.1.4.2 Trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ 46

2.2 Các đặc trưng cơ tính thông thường và ý nghĩa 46

2.2.1 Độ bền (tĩnh) 47

2.2.1.1 Các chỉ tiêu 47

2.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng 47

2.2.1.3 Các biện pháp hóa bền vật liệu 47

2.2.2 Độ dẻo: Độ dẻo là khả năng biến dạng của vật liệu dưới tải trọng 47

2.2.2.1 Hai chỉ tiêu: 47

2.2.2.2 Tính siêu dẻo 47

2.2.3 Độ dai và đập: 48

2.2.4 Độ dai phá hủy biến dạng phẳng (plane - strain fracture toughness), KIC 48

2.2.5 Độ cứng 50

2.2.5.1 Đặc điểm 50

2.2.5.2 Độ cứng Brinen HB: HB=F/S, F là tải trọng, kg hay N, S diện tích hình chỏm cầu 50

2.2.5.3 Độ cứng Rô cvel HR (HRC, HRA, HRB) 50

2.2.5.4 Độ cứng Vicke HV 51

2.2.5.5 Chuyển đổi giữa các thang độ cứng 51

2.3 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng 51

2.3.1 Trạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo 51

2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng 51

2.3.2.1 Hồi phục 51

2.3.2.2 Kết tinh lại (kết tinh lại lần thứ nhất) 51

2.3.2.3 Kết tinh lại lần thứ hai 52

2.3.3 Biến dạng nóng 52

2.3.3.1 Khái niệm 52

2.3.3.2 Các quá trình xảy ra 52

2.3.3.3 Các đặc điểm 52

2.4 Ăn mòn và bảo vệ kim loại: 53

2.4.1 Phân loại: Theo cơ chế xảy ra ăn mòn: 53

2.4.2 Cơ chế của quá trình ăn mòn kim loại: 53

2.4.2.1 Cơ chế điện hóa của quá trình ăn mòn kim loại 53

2.4.2.2 Cơ chế ăn mòn hoá học kim loại 54

2.4.3.Tốc độ ăn mòn 54

2.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn 55

2.4.4.1 Ảnh hưởng của bản chất kim loại 55

2.4.4.2 Ảnh hưởng của `môi trường 55

2.4.4.3 Ảnh hưởng của cấu trúc và tính chất của hợp kim: 55

2.4.4.4 Ảnh hưởng của các công nghệ vật liệu 55

2.4.5 Chống ăn mòn kim loại 55

PHẦN IIHỢP KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC 57

CHỮƠNG 3HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA 57

3.1 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM 57

3.1.1 Khái niệm về hợp kim 57

3.1.1.1 Định nghĩa 57

3.1.1.2 Ưu việt của hợp kim so với kim loại 57

3.1.1.3 Một số khái niệm 57

3.1.1.4 Phân loại các tương tác 57

3.1.2 DUNG DỊCH RẮN 58

3.1.2.1 Khái niệm - phân loại 58

3.1.2.2 Dung dịch rắn thay thế 58

3.1.2.3 Dung dịch rắn xen kẽ 58

3.1.2.4 Các đặc tính của dung dịch rắn 59

3.1.3 Pha trung gian 59

3.1.3.1 Bản chất và phân loại 59

3.1.3.2 Pha xen kẽ 59

3.1.3.3 Pha điện tử (Hum - Rothery) 60

3.1.3.4 Pha Laves 60

3.2 GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ HAI CẤU TỬ 60

3.2.1 Quy tắc pha và ứng dụng 60

3.2.2 Quy tắc đòn bẩy 61

3.2.3 Giản đồ loại I 61

3.2.4 Giản đồ loại II 62

3.2.5 Giản đồ loại III 62

3.2.6 Giản đồ loại IV 63

3.2.7 Các giản đồ pha với các phản ứng khác 63

3.2.8 Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tính chất của hợp kim 64

3.2.8.1 Tính chất các pha thành phần 64

3.2.8 1 Tính chất của hỗn hợp các pha: 64

3.3 GIẢN ĐỒ PHA Fe – C (Fe - Fe3C) 65

3.3.1 Tương tác giữa Fe và C 65

3.3.1.1 Sự hòa tan của C vào Fe 65

3.3.1.2 Tương tác hóa học giữa Fe và C 65

3.3.2 Giản đồ pha Fe - Fe3C và các tổ chức 65

3.3.2.1 Giản đồ pha Fe - Fe3C 65

3.3.2.2 Các chuyển biến khi làm nguội chậm 66

3.3.2.3 Các tổ chức một pha 66

3.3.2.4 Các tổ chức hai pha 67

3.3.3 Phân loại 68

3.3.3 1 Khái niệm chung về thép, gang 68

3.3.3.2 Các loại thép, gang theo giản đồ pha Fe - C 68

3.3.3.3 Các điểm tới hạn của thép 69

CHỮƠNG 4NHIỆT LUYỆN THÉP 70

4.1 KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP 70

4.1.1 Sơ lược về nhiệt luyện thép 70

4.1.1.1 Định nghĩa: 70

4.1.1.2 Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện 70

4.1.1.3 Phân loại nhiệt luyện thép 70

4.1.2 Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí 70

4.1.2.1Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép: phát huy triệt để các tiềm năng của vật liệu: bền, cứng, dai…do đó giảm nhẹ kết cấu, tăng tuổi thọ, 70

4.1.2.2 Cải thiện tính công nghệ 70

4.1.2.3 Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí 70

4.2 CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP 71

4.2.1 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit 71

4.2.1.1 Cơ sở xác định chuyển biến khi nung 71

4.2.1.2 Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit 71

4.2.2 Mục đích của giữ nhiệt 72

4.2.3 Các chuyển biến khi làm nguội 72

4.2.3.1 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của thép cùng tích 72

4.2.3.2 Sự phân hóa γ khi làm nguội liên tục 73

4.2.3.3 Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích 73

4.2.4 Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển biến mactenxit (khi tôi) 74

4.2.4.1 Bản chất của mactenxit 74

4.2.4.2 Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit 75

4.2.4.3 Cơ tính của mactenxit 75

4.2.5 Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram) 75

4.2.5.1 Tính không ổn định của mactenxit và austenit 75

4.2.5.2 Các chuyển biến xảy ra khi ram 76

4.3 Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP 76

4.3.1 Ủ thép 76

4.3.1.1 Định nghĩa và mục đích 76

4.3.1.2 Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha 77

4.3.1.3 Các phương pháp ủ có chuyển biến pha 77

4.3.2 Thường hóa thép 77

4.3.2.1.Định nghĩa: 77

4.3.2.2 Mục đích và lĩnh vực áp dụng: 78

4.4 TÔI THÉP 78

4.4.1 Định nghĩa và mục đích 78

4.4.1.1 Định nghĩa: 78

4.4.1.2 Mục đích: 78

4.4.2 Chọn nhiệt độ tôi thép 78

4.4.2.1 Đối với thép TCT (< 0,80%C): 78

4.4.2.2 Đối với thép CT và SCT (≥ 0,80%C): → 78

4.4.2.3 Lý do để chọn nhiệt độ tôi: 78

4.4.2.4 Đối với thép hợp kim: 79

4.4.3 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi 79

4.4.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi tới hạn: 79

4.4.3.2 Độ thấm tôi 79

4.4.3.3 Đánh giá độ thấm tôi: 79

4.4.3.4 Tính thấm tôi và tính tôi cứng: 80

4.4.4 Các phương pháp tôi thể tích và công dụng Các môi trường tôi 80

4.4.4.1 Tôi trong một môi trường 80

4.4.4.2 Tôi trong hai môi trường (nước qua dầu) Đường b trên hình 4.18 81

4.4.4.3 Tôi phân cấp: đường c trên hình 4.18 82

4.4.4.4 Tôi đẳng nhiệt: đường d trên hình 4.18 82

4.4.4.5 Gia công lạnh 82

4.4.4.6 Tôi tự ram 82

4.4.5 Cơ - nhiệt luyện thép 82

4.4.5.1 Bản chất: 82

4.4.5.2 Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao: 82

4.4.5.3 Cơ – nhiệt luyện nhiệt độ thấp: 83

4.5.RAM THÉP 83

4.5.1 Mục đích và định nghĩa 83

4.5.1.1 Trạng thái của thép tôi thành M: 83

4.5.1.2 Định nghĩa: 83

4.5.2 Các phương pháp ram thép cacbon 83

4.5.2.1 Ram thấp (150 ÷ 250oC): 83

4.5.2.2 Ram trung bình (300 ÷ 450oC): 84

4.5.2.3 Ram cao (500 ÷ 650oC): 84

4.5.2.4 Ram màu và tôi tự ram: 84

4.5.2.5 ảnh hưởng của thời gian ram: 84

4.6 CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP 84

4.6.1 Biến dạng và nứt 84

4.6.1.1 Nguyên nhân và tác hại: 84

4.6.1.2 Ngăn ngừa: 84

4.6.1.3 Khắc phục: 85

4.6.2 Ôxy hóa và thoát cacbon 85

4.6.2.1 Nguyên nhân và tác hại: 85

4.6.2.2 Ngăn ngừa: 85

4.6.2.3 Khắc phục: 85

4.6.3 Độ cứng không đạt: 85

4.6.3.1 Độ cứng quá cao: 85

4.6.3.2 Độ cứng quá thấp: 85

4.6.4 Tính giòn cao 85

4.6.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm nhiệt 85

4.6.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ: 85

4.6.5.2 Kiểm tra nhiệt độ nung: 85

4.7 HOÁ BỀN BỀ MẶT 86

4.7.1 Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng) 86

4.7.1.1 Nguyên lý nung nóng bề mặt: (hình 4.21a) 86

4.7.1.2 Chọn tần số và thiết bị: 86

4.7.1.3 Các phương pháp tôi: 86

4.7.1.4 Tổ chức và cơ tính của thép tôi cảm ứng: 86

4.7.1.5 Ưu việt: 86

4.7.2 Hóa - nhiệt luyện 87

4.7.2.1 Nguyên lý chung 87

4.7.2.2 Thấm cacbon: phổ biến nhất, dễ làm do đó hầu hết các xưởng Cơ khí đều áp dụng 87

4.7.2.3 Thấm nitơ 89

4.7.2.4 Thấm cacbon - nitơ 90

PHẦN IIIVẬT LIỆU KIM LOẠI 91

CHỮƠNG 5THÉP VÀ GANG 91

5.1 KHÁI NIỆM VỀ THÉP CACBON VÀ HỢP KIM 91

5.1.1 Thép cacbon 91

5.1.1.1 Thành phần hóa học: 91

5.1.1.2 Ảnh hưởng của C đến tổ chức, tính chất và công dụng của thép thường 91

5.1.1.3 Ảnh hưởng của các tạp chất thường có 92

5.1.1.4 Phân loại thép cacbon 92

5.1.1.5 Tiêu chuẩn thép cacbon 93

5.1.1.6 Ưu nhược điểm của thép cacbon 94

5.1.2 Thép hợp kim 94

5.1.2.1 Thành phần hóa học 94

5.1.2.2 Các đặc tính của thép hợp kim 94

5.1.2.3 Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép 94

5.1.2.4 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện 96

5.1.2.5 Chậm chuyển biến khi ram 97

5.1.2.6 Các khuyết tật của thép hợp kim 97

5.1.2.7 Phân loại thép hợp kim 98

5.1.2.8 Tiêu chuẩn thép hợp kim 99

5.2 THÉP XÂY DỰNG 100

5.2.1 Đặc điểm chung - phân loại 100

5.2.1.1 Đặc điểm chung 100

5.2.1.2 Phân loại 100

5.2.2 Thép thông dụng 100

5.2.2.1 Đặc điểm chung (thép cacbon) 100

5.2.2.2 Phân loại theo TCVN 100

5.2.2.3 Tiêu chuẩn các nước 2

5.2.3 Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA (High Strength Low Alloy steel) 2

5.2.3.1 Đặc điểm chung 2

5.2.3.2 Tiêu chuẩn Việt Nam 2

5.2.3.3 Tiêu chuẩn các nước 2

5.2.4 Thép làm cốt bêtông 2

5.2.5 Các thép khác 3

5.3 THÉP CHẾ TẠO MÁY (Thép kết cấu) 3

5.3.1 Các yêu cầu chung 3

5.3.1.1 Cơ tính: 3

5.3.1.2 Tính công nghệ: 3

5.3.1.3 Tính kinh tế: 3

5.3.1.4 Thành phần hóa học: 3

5.3.2 Thép thấm cacbon 3

5.3.2.1 Đặc điểm các loại thép thấm cacbon và tác dụng của các nguyên tố 3

5.3.2.2 Thép hợp kim Cr: 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV 3

5.3.2.3 Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo: 4

5.3.3 Thép hóa tốt 5

5.3.3.1 Đặc điểm về thành phần hóa học 5

5.3.3.2 Đặc điểm về nhiệt luyện: 5

5.3.3.3 Thép cacbon: 6

5.3.3.4 Thép Cr: 6

5.3.3.5 Thép Cr-Mo: 6

5.3.3.6 Thép Cr-Mn và Cr-Mn-Si: 6

5.3.3.7 Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo: 6

5.3.3.8 Thép chuyên dùng để thấm nitơ: 7

5.3.4 Các chi tiết máy điển hình bằng thép 7

5.3.4.1 Các loại trục 7

5.3.4.2 Các loại bánh răng 7

5.3.5 Thép đàn hồi 7

5.3.5.1 Điều kiện làm việc và yêu cầu đối với thép đàn hồi: 7

5.3.5.2 Đặc điểm về thành phần hóa học và nhiệt luyện 8

5.3.5.3 Các mác thép và đặc điểm: 8

5.3.6 Các thép kết cấu có công dụng riêng 8

5.3.6.1 Thép lá để dập nguội sâu: 8

5.3.6.2 Thép dễ cắt 9

5.3.6.3 Thép ổ lăn 9

5.4 Thép dụng cụ 10

5.4.1 Các yêu cầu chung 10

5.4.1.1 Phân loại: 10

5.4.1.2 Cơ tính & chịu nhiệt: 10

5.4.1.3 Tính công nghệ và tính kinh tế: 10

5.4.1.4 Thành phần hóa học: 10

5.4.2 Thép làm dụng cụ cắt 10

5.4.2.1 Yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt: điều kiện làm việc và yêu cầu cơ tính: 10

5.4.2.2 Thép làm dao có năng suất thấp 11

5.4.2.3 Thép làm dao có năng suất cao - Thép gió: 12

5.4.3 Thép làm dụng cụ đo 14

5.4.3.1 Điều kiện làm việc và yêu cầu 14

5.4.3.2 Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác cao 14

5.4.3.3 Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác thấp 15

5.4.4 Thép làm dụng cụ biến dạng nguội 15

5.4.4.2 Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nguội 15

5.4.4.3 Thép làm khuôn bé 15

5.4.4.4 Thép làm khuôn trung bình 15

5.4.4.5 Thép làm khuôn lớn và có tính chống mài mòn rất cao: 16

5.4.4.6 Thép làm khuôn chịu tải trọng và đập 16

5.4.5 Thép làm dụng cụ biến dạng nóng 16

5.4.5.1 Điều kiện làm việc và yêu cầu: 16

5.4.5.2 Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nóng 17

5.4.5.3 Thép làm khuôn rèn 17

5.4.5.4 Thép làm khuôn ép chảy: 17

5.5 Thép hợp kim đặc biệt (có tính chất vật lý - hóa học đặc biệt) 17

5.5.1 Đặc điểm chung và phân loại 17

5.5.2 Thép không gỉ 18

5.5.2.1 Thép không gỉ hai pha: 18

5.5.2.2 Thép không gỉ một pha ferit 18

5.5.2.3 Thép không gỉ một pha austenit 18

5.5.2.4 Thép không gỉ hóa bền tiết pha 19

5.5.3 Thép bền nóng (Heat - Resistant Steel) 19

5.5.3.1 Yêu cầu đối với thép làm việc ở nhiệt độ cao 19

5.5.3.2 Thép làm xupap xả 20

5.5.4 Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao dưới tải trọng và đập (thép Hadfield) 20

5.6 GANG 20

5.6.1 Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy 20

5.6.1.1 Tổ chức tế vi 20

5.6.1.2 Thành phần hóa học và cách chế tạo 21

5.6.2 Gang xám 21

5.6.2.1 Cơ tính 21

5.6.2.2 Phương pháp nâng cao cơ tính 21

5.6.2.3 Các mác gang và công dụng 22

5.6.2.4 Gang xám biến trắng 22

5.6.3 Gang cầu 22

5.6.3.1 Cơ tính 22

5.6.3.2 Đặc điểm chế tạo 22

5.6.3.3 Các mác gang và công dụng (1kG/mm2=10MPa=1,45ksi=1,45.103psi) 23

5.6.4 Gang dẻo 23

5.6.4.1 Cơ tính 23

5.6.4.2 Đặc điểm chế tạo 23

5.6.4.3 Các mác gang và công dụng 23

CHỮƠNG 6HỢP KIM MÀU VÀ BỘT 25

6.1 Hợp kim nhôm (Al) 25

6.1.1 Nhôm nguyên chất và phân loại hợp kim nhôm 25

6.1.1.1 Các đặc tính của nhôm nguyên chất 25

6.1.1.2 Hợp kim Al và phân loại 25

6.1.2 Nhôm và hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện 26

6.1.2.1 Nhôm sạch: 26

6.1.2.2 Hợp kim Al biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện 26

6.1.3 Hợp kim Al biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện 27

6.1.3.1 Hệ Al - Cu và Al - Cu - Mg 27

6.1.3.2 Hệ Al - Mg - Si và Al - Zn - Mg 27

6.1.4 Hợp kim Al đúc 27

6.1.4.1 Các đặc điểm: 27

6.1.4.2 Silumin đơn giản: 28

6.1.4.3 Silumin phức tạp: 28

6.2 Hợp kim đồng 28

6.2.1 Đồng nguyên chất và phân loại hợp kim đồng 28

6.1.4.2 Các loại đồng nguyên chất 28

6.1.4.3 Phân loại hợp kim Cu: 28

6.1.4.4 Hệ thống ký hiệu cho hợp kim đồng 28

6.2.2 Latông (đồng thau, Pháp - laiton, Anh - brass, Nga - латунь) 29

6.2.3 Brông: 29

6.2.3.1 Brông thiếc: 29

6.2.3.2 Brông Al: 29

6.2.3.3 Brông berili: 29

6.2.4 Hợp kim Cu - Ni và Cu - Zn – Ni 30

6.3 Hợp kim ổ trượt 30

6.3.1 Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ trượt 30

6.3.2 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp 30

6.3.2.1 Babit thiếc (do Babbitt (người Anh) tìm ra) 30

6.3.2.2 Babit chì 31

6.3.3 Hợp kim nhôm 31

6.3.4 Các hợp kim khác 31

6.4 Hợp kim bột 31

6.4.1 Khái niệm chung 31

6.4.1.1 Công nghệ bột 31

6.4.1.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp 32

6.4.2 Vật liệu cắt và mài 33

6.4.2.1 Hợp kim cứng 33

6.4.2.2 Các vật liệu siêu cứng 33

6.4.2.3 Vật liệu làm đĩa cắt 34

6.4.2.4 Vật liệu mài 34

6.4.2.4 Thép gió bột 35

6.4.3 Vật liệu kết cấu 35

6.4.3.1 Trên cơ sở Al và hợp kim Al 35

6.4.3.2 Trên cơ sở sắt và thép 35

6.4.4 Hợp kim xốp và thấm 35

6.4.4.1 Bạc xốp tự bôi trơn 35

6.4.4.2 Màng lọc: 35

CHỮƠNG 7VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC 36

7.1 Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của ceramic 36

7.2 Các vật liệu vô cơ điển hình 37

7.2.1 Gốm và vật liệu chịu lửa 37

7.2.2 Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh 38

7.2.2.1.Thuỷ tinh 38

7.2.2.2 Gốm thuỷ tinh 39

7.2.3 Ximăng 39

7.2.3.1 Bản chất 39

7.2.3.2 Ximăng 39

7.2.4 Bêtông 40

7.2.5 Bêtông cốt thép 41

CHỮƠNG 8VẬT LIỆU HỮU CƠ 42

8.1 Đặc điểm của vật liệu hữu cơ 43

8.1.1 Hình thành vật liệu polyme 43

8.1.2 Phân tử Polyme 44

8.1.3 Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử 45

8.1.4 Mức độ kết tinh của Plyme và tính chất cơ học 46

8.2 Các polyme thông dụng và ứng dụng 46

8.2.1 Chất dẻo: Sản lượng cao nhất hiện nay 46

8.2.2 Cao su (Elastome) 47

8.2.3 Sợi polyme 47

8.2.4 Màng 47

8.2.5 Chất dẻo xốp (foarms) 47

CHỮƠNG 9COMPOZIT 49

9.1 Khái niệm về compozit 49

9.1.1 Quy luật kết hợp 49

9.1.2 Đặc điểm và phân loại 49

9.1.2.1 Đặc điểm 49

9.1.2.2 Phân loại 49

9.1.3 Liên kết nền - cốt 49

9.1.3.1 Cốt 49

9.1.3.2 Nền 49

9.1.3.3 Liên kết nền - cốt 49

9.2 Compozit cốt hạt 49

9.2.1 Compozit hạt thô 50

9.2.1.1 Đặc điểm 50

9.2.1.2 Các compozit hạt thô thông dụng 50

9.2.2 Compozit hạt mịn (hóa bền phân tán) 50

9.2.2.1 Đặc điểm 50

9.2.2.2 Các compozit hạt mịn 50

9.3 Compozit cốt sợi 50

9.3.1 Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi 51

9.3.1.1 Sự phân bố và định hướng sợi 51

9.3.1.2 Ảnh hưởng của chiều dài sợi 51

9.3.2 Compozit cốt sợi liên tục song song 52

9.3.2.1 Khi kéo dọc 52

9.3.2.2 Khi kéo ngang 52

9.3.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi 52

9.3.3 Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng 53

9.3.4 Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn 53

CHỮƠNG 10LỰA CHON VÀ SỬ DỤNG HỢP LÝ VẬT LIỆU 54

1.1 NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU 54

1.2.1 Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu 54

1.2.2 Những tính chất cơ bản của vật liệu 54

1.2.2.1Tính chất cơ học 54

1.2.2.2Tính chất vật lý 59

1.2.2.3Tính chất hóa học 61

1.2.2.4Tính công nghệ 62

1.2.2.5Ðộ tin cậy 62

1.2.2.6Tuổi thọ 63

1.3 Lựa chon vật liệu 63

1.3.1 Yêu cầu về tính năng sử dụng 63

TỔNG QUAN

1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU

1.1.1 Khái niệm chung

Vật liệu theo cách hiểu phổ biến nhất là những vật rắn mà con người dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v… trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, trong xây dựng các công trình, nhà cửa hay thay thế các bộ phận cơ thể con người hoặc để thể hiện các ý đồ nghệ thuật, v.v

Vật liệu học là một khoa học ứng dụng về quan hệ giữa thành phần, cấu tạo và tính chất của vật liệu, nhằm giải quyết những vấn đề kỹ thuật quan trọng nhất, liên quan đến việc tiết kiệm vật liệu, giảm khối lượng thiết bị máy móc và dụng cụ, nâng cao độ chính xác, độ tin cậy và khả năng làm việc của các chi tiết máy và dụng cụ

Cơ sở lý thuyết của vật liệu học là các phần tương ứng của vật lý và hóa học nhưng về cơ bản thì khoa học về vật liệu được phát triển bằng con đường thực nghiệm Việc đưa ra những phương pháp thực nghiệm mới để nghiên cứu cấu tạo (cấu trúc) và các tính chất cơ, lý của vật liệu sẽ tạo điều kiện để môn vật liệu học tiếp tục phát triển

Nghiên cứu các tính chất vật lý như mật độ, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, v.v… hay cơ tính như độ bền, độ dẻo, độ cứng, môđun đàn hồi, hoặc tính công nghệ như độ chảy loãng, khả năng gia công cắt gọt, và các tính năng làm việc như tính chống ăn mòn, tính chống mài mòn và mỏi, tính dòn lạnh, tính bền nhiệt, của vật liệu sẽ cho phép xác định lĩnh vực ứng dụng hợp lý các vật liệu khác nhau, tuy nhiên có tính đến các đòi hỏi của tính kinh tế

Tóm lại, vật liệu học là môn khoa học phục vụ cho sự phát triển và sử dụng vật liệu, trên

cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử dụng thích hợp ngày một tốt hơn Nó liên quan trực tiếp đến tất cả những người làm việc trong lĩnh vực chế tạo, gia công và sử dụng vật liệu

1.1.2 Phân loại vật liệu

Dựa theo các tính chất đặc trưng, người ta phân biệt ba nhóm vật liệu chính là vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ - ceramíc và vật liệu hữu cơ - polyme Tuy nhiên những năm gần đây đã xuất hiện một nhóm vật liệu quan trọng thứ tư đó là vật liệu kết hợp - vật liệu compozít

1.1.3 Vật liệu kim loại

Thành phần chủ yếu là hợp kim gồm: KL+ á kim hoặc KL khác

Là những vật thể dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, không cho ánh sáng đi qua, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép)

Có độ bền cơ học, nhưng kém bền vững hóa học, trừ nhôm (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

Ðặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại là sự sắp xếp trật tự của các nguyên tử để tạo thành mạng tinh thể với độ xếp chặt cao và liên kết với nhau nhờ khí điện tử tự do

Trong mạng tinh thể luôn luôn tồn tại các khuyết tật và trong một số điều kiện chúng có thể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự thuộc dạng vô định hình Vật liệu kim loại được chia làm hai nhóm lớn:

− Kim loại và hợp kim sắt là những vật liệu mà trong thành phần chủ yếu có nguyên tố sắt Thuộc nhóm này chủ yếu là thép và gang

− Kim loại và hợp kim không sắt là loại vật liệu mà trong thành phần của chúng không chứa hoặc chứa rất ít sắt Thí dụ như đồng, nhôm, kẽm, niken và các loại hợp kim của chúng Nhóm này còn có tên gọi là kim loại và hợp kim màu

1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc

Là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim: thành phần cấu tạo của vật liệu vô cơ - ceramíc chủ yếu là các hợp chất giữa kim loại như Mg, Al, Si, Ti, và các phi kim dưới dạng các ôxýt, cácbít, hay nitrít, với liên kết bền vững kiểu ion hoặc kiểu đồng hóa trị có sắp xếp trật

tự để tạo thành mạng tinh thể hoặc có sắp xếp không trật tự như trạng thái thủy tinh hay vô định hình

Tên gọi ceramíc được bắt nguồn từ tiếng Hylạp "keramikos" có nghĩa là "vật nung" nên

khi chế tạo vật liệu loại này thường phải qua nung nóng, thiêu kết

Các vật liệu vô cơ - ceramíc truyền thống có thể kể đến là: gốm và vật liệu chịu lửa, thủy tinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông

Ngày nay, nhiều loại vật liệu vô cơ - ceramíc mới tìm thấy có những tính năng rất quí như nhẹ, chịu nhiệt tốt, rất bền vững hóa học và có tính chống mài mòn tốt được ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp điện, điện tử và hàng không vũ trụ

1.1.2.3 Vật liệu hữu cơ – polyme

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

Vật liệu hữu cơ – polyme bao gồm các chất hữu cơ chứa các bon có cấu trúc đa phân tử với hai nguyên tố thành phần chủ yếu là các bon và hydrô có thể chứa thêm ôxy, clo, nitơ,

liên kết với nhau trong các mạch phân tử kích thước lớn sắp xếp trật tự được gọi trạng thái

tinh thể hoặc không trật tự – trạng thái vô định hình Tuy nhiên chúng có thể có cấu trúc hỗn

hợp vừa tinh thể vừa vô định hình

Ngoài các vật liệu hữu cơ tự nhiên như cao su, xenlulo v.v ra phần lớn vật liệu hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống là các polyme tổng hợp, chúng là sản phẩm của quá trình trùng hợp (polyme hóa) các phân tử đơn (monome) và do đó

tùy theo nguồn gốc chất trùng hợp, chúng có các tên gọi khác nhau như polyetylen (PE),

polypropylen (PP) hay polystyren (PS), v.v

1.1.2.4 Vật liệu kết hợp – compozit

Là loại vật liệu được kết hợp giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau với tính chất đặc trưng khác hẳn nhau, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần Ví dụ: bê tông cốt thép là sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt và bê

tông (là vật liệu vô cơ) có tính chịu nén tốt, vì thế bê tông cốt thép là loại vật liệu kết cấu vừa chịu kéo và vừa chịu nén tốt

Sự kết hợp giữa kim loại với polyme, giữa polyme với ceramíc, giữa ceramíc với kim loại, v.v… là cơ sở để chế tạo các loại vật liệu kết hợp-compozít với những tính năng khác nhau phục vụ tốt trong các ngành công nghiệp và sản xuất cơ khí nói chung Một số vật liệu kết hợp

- compozít được ứng dụng trong ngành hàng không rất có hiệu quả như sợi thủy tinh độ bền cao và sợi các bon

Ngoài bốn nhóm vật liệu chính vừa được nêu trên còn có các nhóm vật liệu khác có tính năng và thành phần rất riêng biệt như:

- 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

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU

Lịch sử phát triển khoa học vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển của loài người, có thể chia ra làm 3 giai đoạn lớn sau:

1.2.1 Giai đoạn tiền sử của loài người

Từ hàng ngàn, hàng vạn năm trước công nguyên con người nguyên thủy đã biết sử dụng công cụ lao động để duy trì và phát triển cộng đồng, ngày đó họ đã biết sử dụng các vật liệu

có sẵn trong tự nhiên như:

− Vật liệu vô cơ là đất sét, đá, và các loại khoáng vật v.v

− Vật liệu hữu cơ như da, sợi thực vật, gỗ, tre v.v

− Vật liệu kim loại như vàng, bạc, đồng tự nhiên và sắt thiên thạch v.v

Trong giai đoạn này, các vật liệu được sử dụng đa phần ở dạng nguyên thủy, không qua chế biến Các vật dụng được chế tạo chủ yếu bằng các cắt, mài, đập hay nghiền v.v Tại thời

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu và quan hệ giữa chúng

1 Bán dẫn; 2 Siêu dẫn; 3 Silicon; 4 Polyme dẫn điện.

kỳ này riêng người Ai Cập cổ, người Babylon, người La Mã và người Trung Quốc đã biết chế tạo ra gạch để xây cất bằng cách phơi khô đất sét ngoài nắng

1.2.2 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm

Phải trải qua một thời gian rất lâu, nghĩa là sau hàng nghìn năm để tích lũy các quan sát ngẫu nhiên và các kinh nghiệm, thực hiện các thí nghiệm một cách rời rạc và mò mẫm, con người thời trước Công nguyên cũng đã tạo ra được nhiều sự kiện quan trọng về lĩnh vực vật liệu Có thể kể ra đây vài ví dụ:

Trước Công nguyên khoảng 6.000 năm, người ta đã biết luyện đồng từ quặng để chế tạo ra những công cụ lao động và vũ khí Những cục xỉ đồng với tuổi 8.500 năm, mà người ta phát hiện được ở cao nguyên Anotolia Thổ Nhĩ Kỳ đã nói lên sự xuất hiện rất sớm nghề luyện đồng từ quặng trên trái đất của chúng ta

Sắt thép cũng xuất hiện khá sớm Vào khoảng thế kỷ 15 trước Công nguyên người ta đã biết sử dụng công cụ bằng thép và sau đó khoảng 4 thế kỷ, người Hy Lạp và La Mã đã biết sử dụng phương pháp nhiệt luyện tôi thép để làm tăng độ cứng cho thép Kỹ thuật này đạt được

đỉnh cao vào thời trung cổ với các thanh kiếm nổi tiếng như Damascus (Syrie) cho đến ngày

nay vẫn còn là một bí mật về công nghệ Các nhà khảo cổ học khi khai quật ở Ninevia - kinh

đô của đồ sứ cổ Assiria trong cung điện vua Sargon đệ nhị thế kỷ thứ VIII trước Công nguyên

đã phát hiện ra một kho chứa khoảng 200 tấn sản phẩm bằng sắt như mũ sắt, lưỡi cưa và các công cụ rèn v.v

Một kỳ tích về công nghệ luyện kim của nhân loại cổ xưa đã được tìm thấy như cây cột trụ bằng sắt nổi tiếng của Ấn độ gần như nguyên chất (nó chứa tới 99,72% sắt) nặng tới 6,5 tấn, cao hơn 7m được xây dựng từ năm 415 để tưởng niệm vị vua Chanđragupta đệ nhị Những lò luyện sắt đầu tiên có ở Trung Quốc và Ai cập từng xuất hiện từ hơn 3.000 năm trước Công nguyên Vào cuối thế kỷ thứ XVIII kỹ thuật chế tạo thép với qui mô lớn đã xuất hiện, mà nhờ đó con người đã sử dụng phổ biến để chế tạo ra các máy hơi nước, tầu thủy, xây dựng cầu cống, nhà cửa

và đường sắt v.v Một công trình bằng thép đồ sộ phải kể đến tháp Effen tại thủ đô Pari của Pháp Tháp này nặng 7.341 tấn và cao tới 320 m được xây dựng xong năm 1889 không những là niềm

tự hào và là biều tượng văn minh của nước Pháp mà còn là một kỳ quan của thế giới

Ngoài sự phát triển mạnh của những vật liệu kim loại đã nêu trên, vật liệu vô cơ cũng đã

có những bước tiến rất sớm Từ thế kỷ XV trước Công nguyên, ở Ai Cập, Babylon và La Mã người ta đã biết sử dụng hỗn hợp đá nghiền với vôi tôi rồi tới đầu thế kỷ XIX xi măng portlan

đã xuất hiện ở Anh, Mỹ, Nga và sau đó kỹ thuật đúc bê tông cốt thép sử dụng trong xây dựng

đã xuất hiện ở Mỹ vào năm 1875 và ngày nay loại vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng cầu đường, nhà cửa v.v

1.2.3 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liêu theo kiến thức khoa học

Người ta đã đi sâu tìm hiểu bản chất của vật liệu, tìm hiểu nguyên nhân của sự hình thành các tính chất khác nhau của chúng

Chính nhờ những kiến thức khoa học đó mà con người đã đánh giá được định tính chiều hướng phát triển của vật liệu và định hướng các công nghệ chế tạo vật liệu với những tính chất mong muốn

Có thể kể ra đây một vài bước tiến nổi bật về công nghệ vật liệu:

− Năm 1930 công nghệ chế tạo hợp kim nhôm cứng có tên Ðuara (duaralumin) xuất hiện

nhờ quá trình hóa già biến cứng

− Năm 1940 công nghệ chế tạo chất dẻo polyme ra đời nhờ quá trình trùng hợp

− Năm 1955 công nghệ chế tạo bán dẫn bằng kỹ thuật tinh luyện và tạo lớp chuyển tiếp

− Năm 1965 một loạt vật liệu mới ra đời như thép xây dựng vi hợp kim hóa, thép kết cấu độ

bền cao và đặc biệt là sự xuất hiện vật liệu kết hợp compozít

− Năm 1975 chế tạo vật liệu nhớ hình

− Năm 1980 chế tạo thành công kim loại thủy tinh v.v…

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

Các sự kiện nổi bật:

¾ Cột thép New Dehli, 6,5 tấn khoảng TK 5 SCN, không gỉ?

¾ Luyện thép ở quy mô CN → TK 19 tạo ra tháp Eiffel cao 320m, nặng 7341 tấn

¾ Bê tông cốt thép, năm 1875 (Hoa kỳ), gốm Việt nam Trung hoa rất lâu đời

¾ Sử dụng vi tính →máy tính → công nghệ cao với nền kinh tế tri thức →?

¾ Cơ khí (vật liệu kim loại) → máy tính cơ học (vài chục phép tính/phút)

¾ Đèn điện tử → máy tính điện tử MИHCK22 (vài trăm phép tính/phút)

¾ Bán dẫn (vi xử lý) (90 - 130)MHz → 200MHz (P) → (330 - 400)MHz (PII) → (400 -700)MHz (PIII), PIV → 1GHz, ?

¾ Máy hút bụi: gỗ (hộp)→ kim loại (trụ) → polyme (cầu) công suất gấp 10, kích thước 1/3

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

Tuy nhiên còn có rất nhiều loại vật liệu hiện còn đang trong quá trình nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm có nhiều triển vọng ứng dụng rộng rãi vào thực tế trong tương lai

Hình 1.1 Phân bố vật liệu

1.3 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 (0,15mm) 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

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),

- 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

PHẦN I CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU

CHƯƠNG 1 CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử

Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử:

Nguyên tử = hạt nhân + electron = (proton + nơtron) + electron

Nơtron không mang điện, Proton mang điện dương = điện tích của electron→nguyên tử trung hoà

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

Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấu hình electron là 1s22s22p6 3s23p63d104s1 qua đó biết được

số electron ngoài cùng (ở đây là 1, hóa trị 1)

Các kim loại chuyển tiếp: Fe có Z = 26: 1s22s22p63s23p63d64s2

1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn

Các loại vật liệu khác nhau có thể tồn tại các dạng liên kết riêng Sự khác nhau của các dạng liên kết đó cũng là nguyên nhân tạo nên các tính chất khác nhau

1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị

Là liên kết của hai (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau một số electron hóa trị để có

đủ tám electron ở lớp ngoài cùng Có thể lấy ba ví dụ như sau (hình 1.1)

• Clo có Z=17 (1s22s22p63s23p5), có 7e ở lớp ngoài cùng, 2 nguyên tử Cl mỗi nguyên tử góp chung 1 electron để lớp ngoài cùng 8e (hình 1.1a)

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hóa trị

• Giecmani (Ge, z=32) có 4e lớp ngoài cùng (4s2, 4p2), 4 nguyên tử góp chung (hình 1.1b) Liên kết giữa các nguyên tử cùng loại (từ IVB VIIB như Cl, Ge) là loại đồng cực, còn giữa các nguyên tố khác loại như CH4 là loại dị cực

• Mê tan (CH4) Cacbon (z=6), có 4e lớp ngoài cùng và 4 nguyên tử H để mỗi nguyên tử này góp cho nó 1 electron làm cho lớp electron ngoài cùng đủ 8 (hình 1.1c)

1.1.2.2 Liên kết ion

Kim loại nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e các nguyên tố: VIB (O, S ),

VIIB (H, F, Cl, Br, I) Các ô xit kim loại như Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO có xu thế mạnh với tạo liên kết ion

• Liên kết ion càng mạnh khi lớp ngoài cùng (cho) chứa ít e, nhận nằm càng gần hạt nhân

• Liên kết không định hướng (định hướng thì xác suất liên kết lớn nhất theo phương nối tâm các nguyên tử), vật liệu có liên kết ion thì tính giòn cao

1.1.2.3 Liên kết kim loại (hình 1.3)

Định nghĩa: là liên kết trong đó các cation kim loại nhấn chìm trong đám mây electron tự do Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng)→ các ion kim loại có vị trí xác định Các

nguyên tố nhóm Ia có tính kim loại điển hình, càng dịch sang bên phải tính chất kim loại càng giảm, tính đồng hóa trị trong liên kết càng tăng

Tính chất của kim loại: liên kết này tạo cho kim loại các tính chất điển hình: Ánh kim hay

vẻ sáng, dẫn nhiệt và dẫn điện tốt và tính dẻo, dai cao

1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp

Thực ra các liên kết trong các chất, vật liệu thông dụng thường mang tính hỗn hợp của nhiều loại Ví dụ : Na và Cl có tính âm điện lần lượt là 0,9 và 3,0 Vì thế liên kết giữa Na và

Cl trong NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị

1.1.2.5 Liên kết yếu (Van der Waals)

Do sự khác nhau về tính âm điện tạo thành và phân tử

phân cực Các cực trái dấu hút nhau tạo ra liên kết Van der

Waals Liên kết này yếu, rất dễ bị phá vỡ khi tăng nhiệt độ

1.2.3.1 Chất lỏng

Trong phạm vi hẹp (khoảng 0,25nm) các nguyên tử chất lỏng có xu thế tiếp xúc (xít) nhau tạo thành các đám nhỏ, do vậy không co lại khi nén như chất khí, các đám nguyên tử này luôn hình thành và tan rã Chất lỏng chỉ có trật tự gần, không có trật tự xa

Giữa các đám có khoảng trống do đó mật độ xếp của chất lỏng thấp, khi đông đặc thường kèm theo giảm thể tích (co ngót)

1.2.3.2 Chất rắn vô định hình

Ở một số chất, trạng thái lỏng có độ sệt cao, các nguyên tử không đủ độ linh hoạt để sắp xếp lại khi đông đặc; chất rắn tạo thành có cấu trúc giống như chất lỏng trước đó gọi là chất rắn vô định hình Thủy tinh (mà cấu tạo cơ bản là SiO2) là chất rắn vô định hình

Như vậy về mặt cấu trúc, các chất rắn gồm 2 loại: tinh thể và vô định hình Kim loại, hợp kim và phần lớn các chất vô cơ, rất nhiều polyme - tinh thể

Tuỳ theo bản chất của vật liệu và tốc độ làm nguội khi đông đặc → tinh thể hoặc vô định hình

Thủy tinh nóng chảy, các phân tử SiO2 [trong đó ion O2- ở các đỉnh khối tứ diện (bốn mặt) tam giác đều, tâm của khối là ion Si4+ như biểu thị ở hình 1.5a] làm nguội bình thường

→vô định hình (hình 1.5b); làm nguội vô cùng chậm các phân tử SiO2 có đủ thời gian sắp

xếp lại theo trật tự xa sẽ được thủy tinh (có cấu trúc) tinh thể (hình 1.5c)

Hình 1.5 Cấu trúc khối tứ diện [ SiO4]4- (a), thủy tinh thường SiO2 (b) thủy tinh tinh thể SiO2 (c)

1.2.3.3 Chất rắn vi tinh thể

Cũng với vật liệu tinh thể kể trên khi làm nguội từ trạng thái lỏng rất nhanh (trên dưới 104độ/s) sẽ nhận được cấu trúc tinh thể nhưng với kích thước hạt rất nhỏ (cỡ nm), đó là vật liệu có tên gọi là vi tinh thể (còn gọi là finemet hay nanomet)

Tóm lại các vật liệu có ba kiểu cấu trúc tinh thể (thường gặp nhất), vô định hình và vi tinh thể (ít gặp)

1.3 Khái niệm về mạng tinh thể

Định nghĩa:

Mạng tinh thể là mô hình không gian biểu diễn quy luật hình học của sự sắp xếp nguyên tử Phần lớn vật liệu có cấu trúc tinh thể, tính chất rất đa dạng phụ thuộc vào kiểu mạng

1.3.1 Tính đối xứng

Mạng tinh thể mang tính đối xứng, là một trong những đặc điểm quan trọng, thể hiện cả

ở hình dáng bên ngoài, cấu trúc bên trong cũ ng như các tính chất của vật rắn tinh thể

Tính đối xứng là tính chất hình học khi quay một điểm hay một phần tử xung quanh 1 điểm hay một đường với một góc a chúng sẽ trùng lặp nhau Điểm hay đường được quay xung quanh đó được gọi là tâm hay trục đối xứng Đối xứng qua mặt phẳng được gọi là đối xứng gương Gọi n = 2p/a là bậc đối xứng, chỉ có n = 1, 2, 3, 4, 6; ký hiệu L1, L2, L3, L4, L6

1.3.2 Ô cơ sở - ký hiệu phương, mặt tinh thể

1.3.2.1 Ô cơ sở

• Đ/n: là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp nguyên

tử đại diện cho toàn bộ mạng tinh thể

• Do tính đối xứng bằng phương pháp xoay và tịnh

tiến ta sẽ suy ra toàn bộ mạng tinh thể

Thông số mạng (hằng số mạng) là kích thước của ô cơ

sở, thường là kích thước các cạnh của ô cơ sở từ đó có thể

xác định toàn bộ kích thước của ô cơ sở (hình 1.6)

1.3.2.2 Nút mạng

Nút mạng tương ứng với vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể

1.3.2.3 Chỉ số phương

Phương là đường thẳng đi qua các nút mạng, được ký hiệu bằng [u v w]; Ba chỉ số u, v, w là

ba số nguyên tỷ lệ thuận với tọa độ của nút mạng nằm trên phương đó ở gần gốc tọa độ nhất

Chú ý: Phương và mặt tinh thể có kích thước vô hạn

Trên hình 1.7 giới thiệu ba phương điển hình trong mạng tinh thể của hệ lập phương:

Hình 1.7 Các phương điển hình của hệ

lập phương

Hình 1.8 Các mặt điển hình

của hệ lập phương

Hình 1.6 Ô cơ sở và hệ tọa độ

Mặ t Chỉ số Miller Chỉ số Miller - Bravais

Đường chéo khối [111], đường chéo mặt [110], đường chéo cạnh [100]

Các phương có các giá trị tuyệt đối u, v, w giống nhau, tạo nên họ phương <uvw>

Ví dụ họ <110> gồm các phương sau đây chúng có cùng quy luật sắp xếp nguyên tử: [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [01 1], [101] (các đường chéo)

1.3.2.4 Chỉ số Miller của mặt tinh thể

Mặt tinh thể là tập hợp các mặt có cách sắp xếp nguyên tử giống hệt nhau, song song và cách đều nhau, chúng có cùng một ký hiệu Người ta ký hiệu mặt bằng chỉ số Miller (h k l) Các chỉ số h, k, l được xác định theo các bước như sau:

¾ Tìm giao điểm của mặt phẳng trên ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz,

¾ Xác định tọa độ các giao điểm, rồi lấy các giá trị nghịch đảo,

¾ Quy đồng mẫu số, lấy các giá trị của tử số, đó chính là các chỉ số h, k, l

Ví dụ , xác định các chỉ số Miller cho các mặt:

trục

Nghịch đảo

1.3.2.5 Chỉ số Miller - Bravàis trong hệ lục giác

Chỉ số Miller - Bravàis với hệ có bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz (hình 1.9) Chỉ số Miller - Bravàis được ký hiệu bằng (h k i l), trong đó chỉ số thứ ba i của trục Ou) có quan hệ: i = - (h + k) Hãy thử so sánh hai chỉ số này cho các mặt trong hệ lục giác được trình bày ở hình 1.10

Cách ký hiệu theo Miller - Bravàis thể hiện được các

ƒ l, s, v lần lượt là chiều dài, diện tích, thể tích bị nguyên tử (ion) chiếm chỗ

ƒ L, S, V lần lượt là tổng chiều dài, diện tích, thể tích xem xét

1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn

1.4.1 Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguyên chất)

Đặc tính cấu trúc của kim loại là: nguyên tử (ion) luôn có xu hướng xếp xít chặt với kiểu mạng đơn giản (như lập phương tâm mặt, lập phương tâm khối, lục giác xếp chặt)

1.4.1.1 Lập phương tâm khối A2

Ô cơ sở là hình lập phương, cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và tâm khối (hình 1.10a, b và c) Số lượng nguyên tử cho mỗi ô: nv = 8 đỉnh 1/8 + 1 giữa = 2 nguyên tử

Hình 1.10 Ô cơ sở mạng lập phương tâm khối (a, b), các lỗ hổng (c) và cách xếp các mặt tinh thể

{100} và {110} (d)

Thường dùng cách vẽ tượng trưng (hình c) Nguyên tử nằm xít nhau theo phương <111>, do đó:

Các mặt tinh thể xếp dày đặc nhất là họ {110} Mật độ xếp thể tích Mv = 68% Có hai loại

lỗ hổng: hình 4 mặt và hình 8 mặt như trình bày ở hình d Loại 8 mặt có kích thước bằng 0,154 dng.t nằm ở tâm các mặt bên {100} và giữa các cạnh a Loại 4 mặt có kích thước lớn hơn một chút, bằng 0,291 dnguyên tử nằm ở 1/4 trên cạnh nối điểm giữa các cạnh đối diện của các mặt bên Như vậy trong mạng A2 có nhiều lỗ hổng nhưng kích thước đều nhỏ, lớn nhất cũng không quá 30% kích thước (đường kính) nguyên tử

Các kim loại có kiểu mạng A1 thường gặp là: Fea, Cr, Mo, W

Mạng chính phương tâm khối chỉ khác mạng A2 ở a = b≠c

+Trong mạng A1, các nguyên tử xếp xít nhau theo phương đường chéo mặt <110>, do đó: đường kính

2

2

. a

d ng t = số sắp xếp là 12

+Các mặt tinh thể dày đặc nhất là họ {111} Mật độ xếp thể tích Mv =74%, mạng A1 này

là kiểu xếp dày đặc hơn A2 và là một trong hai kiểu xếp dày đặc nhất

Có 2 loại lỗ hổng hình 4 mặt và hình 8 mặt như trình bày ở các hình 1.11c Loại bốn mặt

có kích thước 0,225 dng.t (đỉnh 1 và tâm ba mặt 2,3,4) Đáng chú ý là loại lỗ hổng hình tám

mặt, nó có kích thước lớn hơn cả, bằng 0,414dng.t, nằm ở trung tâm khối và giữa các cạnh a

So với mạng A2, mạng A1 tuy dày đặc hơn song số lượng lỗ hổng lại ít hơn mà kích thước lỗ hổng lại lớn hơn hẳn (0,225 và 0,41 so với 0,154 và 0,291) Chính điều này (kích thước lỗ hổng) mới là yếu tố quyết định cho sự hòa tan dưới dạng xen kẽ

Khá nhiều kim loại điển hình có kiểu mạng này: sắ t (Feg), Ni, Cu, Al với hằng số a mạng lần lượt bằng 0,3656, 0,3s524, 0,3615, 0,4049nm; ngoài ra còn có Pb, Ag, Au

Số lượng nguyên tử trong 1 ô: nv = 12 đỉnh/6 + 2 giữa mặ t/2 + 3 tâm = 6 nguyên tử

Nguyên tử xếp xít nhau theo các mặt đáy (0001) 3 nguyên tử ở giữa song song với mặt đáy sắp xếp nguyên tử giống như 2 mặt đáy, nhưng nằm ở các hõm cách đều nhau (hình 1.12d) Mạng lục giác xếp chặt thì c/a = 8/3 hay 1,633

Tuy nhiên trong thực tế c/a có xê dịch nên quy ước:

c/a = 1,57 ÷ 1,64 thì mạng được coi là xếp chặt, 1,57 < c/a < 1,64 không xếp chặt

Các kim loại có kiểu mạng này ít thông dụng hơn là:

4 nguyên tử bao quanh gần nhất

Hình 1.14 ô cơ sở của mạng tinh thể kim cương (a), vị trí các nguyên tử (b) và liên kết (c)

Ô cơ sở mạng kim cương (hình 1.14a), được tạo thành trên cơ sở của ô cơ sở A1 có thêm bốn nguyên tử bên trong với các tọa độ (xem hình 1.14b): 1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4, 3/4, 1/4 (2); 1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4) nằm ở tâm của bốn khối 1/8 cách đều nhau

Các nguyên tử cacbon đều có liên kết đồng hóa trị với năng lượng lớn nên kim cương có

độ cứng rất cao (cao nhất trong thang độ cứng)

1.4.2.2 Mạng grafit

Có mạng lục giác lớp (hình 1.15a), trong một lớp khoảng cách giữa các nguyên tử a=0,246nm, liên kết đồng hoá trị Khoảng cách giữa các lớp c = 0,671nm, tương ứng với liên kết yếu Vàn der Waals, grafit rất dễ bị tách lớp, rất mềm, nó được coi như là một trong những chất rắn có độ cứng thấp nhất

1.4.2.3 Cấu trúc của sợi cacbon và fullerene

Phân tử cacbon C60 gọi là fullerene do hai nhà khoa học H Kroto (Anh) và R Smalley (Mỹ ) tạo ra 1985 (Nobel năm 1995) (hình 1.15c): 60 nguyên tử C nằm trên mặt cầu gồm 12 ngũ giác và 20 lục giác đều, nằm xen kẽ nhau tạo đối xứng tròn, ứng với độ bền và độ cứng rất cao của nó chắc chắn hứa hẹn sẽ có những ứng dụng kỳ lạ trong kỹ thuật

Sợi cacbon được trình bày ở hình 1.15b

Hình 1.15

Cấu trúc mạng của

grafit (a), sợi cacbon (b) và

fullerene (c)

1.4.2.4 Cấu trúc của SiO 2

Hình 1.5a, là mô hình sắp xếp không của các khối tứ diện tam giác đều SiO44- của SiO2 Thạch anh với cấu trúc lục giác (hình 1.16a), cristobalit β với cấu trúc lập phương (hình 1.16b) Trong điều kiện nguội nhanh sẽ nhận được thủy tinh (vô định hình) như ở hình 1.5b

Hình 1.16 Sắp xếp khối tứ diện (SiO4)4- trong thạch anh (a), cristobalit b (b)

1.4.3 Chất rắn có liên kết ion

Cấu trúc tinh thể của hợp chất hóa học có liên kết ion phụ thuộc vào hai yếu tố:

- Tỷ số của ion âm và ion dương đảm bảo trung hòa về điện

- Tương quan kích thước giữa ion âm và ion dương: trong tinh thể ion, các ion luôn có xu hướng sắp xếp để độ xếp chặt và tính đối xứng cao nhất

Mạng tinh thể của hợp chất với liên kết ion vẫn có các kiểu mạng đơn giản (A1, A2) nhưng sự phân bố các ion trong đó khá phức tạp nên vẫn được coi là có mạng phức tạp

Có thể hình dung mạng tinh thể các hợp chất hóa học với liên kết ion được tạo thành trên

cơ sở của ô cơ sở của ion âm, các ion dương còn lại chiếm một phần hay toàn bộ các lỗ hổng

Tỉ mỉ về cấu trúc của chất rắn có liên kết ion được trình bày ở chữơng7

1.4.4 Cấu trúc của polyme

Khác với kim loại và các chất vô cơ, ô cơ sở chỉ tạo nên bởi số lượng hạn chế (từ vài đến vài chục) nguyên tử (ion), mỗi phân tử polyme có thể gồm hàng triệu nguyên tử

là nhiệt độ, sau đó là áp suất

Cacbon ngoài dạng vô định hình còn tồn tại: các dạng thù hình (các hình 1.13, 1.14): kim cương (A4), grafit (A9), sợi cacbon (cấu trúc lớp cuộn), fullerene (cấu trúc mặt cầu C60) trong

đó, grafit là dạng thường gặp và ổn đinh nhất

Sắt (Fe) có hai kiểu mạng là: Feα-A2, T < 911oC, Feγ-A1, T= 911 ÷1392oC, FeδT>1392oC -1539oC; →tính chất khác

Chuyển biến thù hình bao giờ cũng đi kèm với sự thay đổi về thể tích (nở hay co) và cơ tính Ví dụ: khi nung nóng sắt qua 911oC sắt lại co lại đột ngột (do tăng mật độ xếp từ 68 lên 74% khi chuyển từ Feα → Feγ) và hoàn toàn ngược lại khi làm nguội (điều này hơi trái với quan niệm thường gặp là nung nóng thì nở ra, còn làm nguội thì co lại) →rèn khuôn?

1.5 Sai lệch mạng tinh thể

Trong thực tế không phải 100% nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định, gây nên những

Mạch kín Bẻ liên kết kép Tạo mạch thẳng

sai lệch được gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng Tuy số nguyên tử nằm lệch vị trí quy định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 1÷ 2%) song ảnh hưởng lớn đến cơ tính: khả năng biến dạng dẻo, biến cứng )

Phụ thuộc vào kích thước theo ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia thành: điểm, đường và mặt

1.5.1 Sai lệch điểm

Đó là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo ba chiều không gian, có dạng bao quanh một điểm Hình 1.17 trình bày tổng quát các dạng sai lệch điểm này

1.5.1.1 Nút trống và nguyên tử tự xen kẽ (Hình 1.17a)

Do dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng, ở mức phân bố năng lượng không đều, một số nguyên tử bứt khỏi nút mạng để lại nút trống và tạo nguyên tử xen kẽ giữa

Hình 1.17 Các dạng sai lệch điểm: nút trống và nguyên tử tự xen kẽ (a) và các nguyên tử

tạp chất (b)

Mật độ của nút trống tăng nhanh theo nhiệt độ (n=eQ/KT), khi sắp chảy lỏng nmax

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

1.5.1.2 Nguyên tử tạp chất

Trong thực tế vật liệu hoặc kim loại thường có tạp chất: xen kẽ (hình 1.17b)

Do sự sai khác về đường kính nguyên tử giữa các nguyên tố nền và tạp chất →sai lệch

1.5.2 Sai lệch đường - Lệch

Sai lệch đường là loại có kích thước nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo hai chiều và lớn theo chiều thứ ba, tức có dạng của một đường (có thể là thẳng, cong, xoáy trôn ốc) Sai lệch đường có thể là một dãy các sai lệch điểm kể trên Chúng gồm: hai dạng là biên và xoắn

1.5.2.1 Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line) (hình 1.18a)

Có thể hình dung lệch biên được tạo thành nhờ chèn thêm bán mặt ABCD vào nửa phần trên của mạng tinh thể lý tưởng (hình 1.18a), khi đó, các mặt nguyên tử khác ở hai phía trở nên không còn song song với nhau

Hình 1.18 Lệch biên: tinh thể không lệch (a), mô hình tạo thành (b), sự sắp xếp nguyên tử

trong vùng lệch (c) Như thấy rõ ở hình 1.18b: đường AD được gọi là trục lệch, nó chính là biên của bán mặt nên có tên là lệch biên Với sự phân bố như vậy nửa tinh thể có chứa bán mặt sẽ chịu ứng suất nén, nửa còn lại chịu ứng suất kéo

Véc tơ Burgers: là véc tơ đóng kín vòng tròn Burgers vẽ trên mặt phẳng vuông góc với trục lệch khi chuyển từ tinh thể không lệch sang tinh thể có lệch Lệch thẳng b ⊥ AL

1.5.2.3 Lệch xoắn (screw dislocation) (hình 1.19a)

Hình 1.19 Lệch xoắn: tinh thể không lệch (a), mô hình tạo thành (a), đặc điểm sắp xếp

nguyên tử trong vùng lệch (c)

Các nguyên tử trong vùng hẹp giữa hai đường AD và BC sắp xếp lại có dạng đường xoắn

ốc giống như mặt vít nên lệch có tên là lệch xoắn như thấy rõ ở hình 1.19c

Véc tơ Burgers song song với trục lệch AD=L

1.5.2.4 Đặc trưng về hình thái của lệch

Mật độ lệch (ký hiệu là ρ) là tổng chiều dài trục lệch trong một đơn vị thể tích của tinh thể, có thứ nguyên là cm/cm3 hay cm2 Mật độ lệch phụ thuộc rất mạnh vào độ sạch và trạng thái gia công Ví dụ, đối với kim loại ρ có giá trị nhỏ nhất (~ 108 cm-2) ứng với độ sạch cao và trạng thái ủ; hợp kim và kim loại sau biến dạng nguội, tôi ρ tới 1010 ÷1012 cm-2) (có thể coi mật độ lệch là trục lệch chạy qua/1 cm2)

Ý nghĩa: lệch biên giúp cho dễ biến dạng (trượt), khi mật độ quá lớn lại gây cản trượt (tăng

bền) Ngoài ra, lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh

1.5.3 Sai lệch mặt

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 (có thể là phẳng, cong hay uốn lượn)

Các dạng điển hình của sai lệch mặt là: biên giới hạt và siêu hạt (sẽ trình bày ở mục sau)

là những mặt phẳng nguyên tử giới hạn (thường là các mặt xếp chặt nhất) Các đơn tinh thể kim loại không tồn tại trong tự nhiên, muốn có phải dùng công nghệ "nuôi" đơn tinh thể Đặc điểm: có tính chất rất đặc thù là dị hướng vì theo các phương mật độ xếp chặt nguyên tử khác nhau Đơn tinh thể chỉ được dùng trong bán dẫn

1.6.2 Đa tinh thể

1.6.2.1 Hạt

Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể Đa tinh thể gồm rất nhiều (đơn) tinh thể nhỏ (cỡ μm) được gọi là hạt tinh thể, các hạt có cùng cấu trúc và thông số mạng song phương lại định hướng khác nhau (mang tính ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là biên hạt (hay biên giới hạt) như trình bày ở hình 1.20b

Từ mô hình đó thấy rõ :

- Mỗi hạt là một khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất, thể hiện tính dị hướng

- Các hạt định hướng ngẫu nhiên với số lượng rất lớn nên thể hiện tính đẳng hướng

- Biên hạt chịu ảnh hưởng của các hạt xung quanh nên có cấu trúc “trung gian” và vì vậy sắp xếp không trật tự (xô lệch) như là vô định hình, kém xít chặt với tính chất khác với bản thân hạt

- Có thể quan sát cấu trúc hạt đa tinh thể hay các hạt nhờ kính hiển vi quang học (hình 1.20c)

Hình 1.20 Mô hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b), tổ chức tế vi kim loại đa tinh thể (c),

cấu trúc của siêu hạt (d)

1.6.2.2 Độ hạt

Độ hạt có thể quan sát định tính qua mặt gãy, để chính xác phải xác định trên tổ chức tế vi Cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM: phân thành 16 cấp chính đánh số từ 00, 0, 1, 2 , 14 theo trật tự hạt nhỏ dần, trong đó từ 1 đến 8 là thông dụng

Cấp hạt N=3,322lgZ+1, với Z là số hạt có trong 1 inch2 (2,542≈ 6,45cm2 dưới độ phóng đại 100 lần

Người ta thường xác định cấp hạt bằng cách so sánh với bảng chuẩn ở độ phóng đại (thường là x100) hoặc xác định trên tổ chức tế vi Các số liệu phân cấp hạt xem bảng 1.2

Bảng 1.2 Các cấp hạt chuẩn chính theo ASTM

1.7 Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại

Phần lớn kim loại hợp kim được chế tạo (luyện) ra → đúc, tức qua kết tinh, sau

đó→cán→ bán thành phẩm và sản phẩm

Kết tinh là bước khởi tạo hình thành tổ chức hạt, tinh thể → độ hạt, tổ chức mong muốn

1.7.1 Điều kiện xảy ra kết tinh

1.7.1.1 Cấu trúc ở trạng thái lỏng

Chất lỏng chỉ có trật tự gần, trong đó có những nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự, chúng ở trạng thái cân bằng động Về mặt cấu trúc trạng thái lỏng gần trạng thái tinh thể hơn, các đám nguyên tử → là tâm mầm giúp cho kết tinh

1.7.1.2 Biến đổi năng lượng khi kết tinh

Hình 1.23 biểu thị sự biến đổi năng lượng ΔG của các

trạng thái lỏng (ΔGL) và rắn (ΔGR) (tinh thể) theo nhiệt độ:

- Ở nhiệt độ T > TO vật thể tồn tại ở trạng thái lỏng

ΔGL<ΔGR

- Ở nhiệt độ To < TO, ΔGR<ΔGL →đông đặc TO

được gọi là nhiệt độ kết tinh hay nóng chảy,

T = TO →kết tinh (nóng chảy) chữa xảy ra

KT&NC chỉ xả y ra khi có ΔT ≠0

1.7.1.3 Độ quá nguội

Độ quá nguội Δ T: nguội dưới TO

Δ T = T - TO < 0

Δ T thay đổi từ rất nhỏ (1 ÷ 2oC) đến rất lớn (hàng chục, trăm đến nghìn độ) tùy theo tốc

độ làm nguội khi kết tinh Nguội chậm trong khuôn cát Δ T lớn hơn khi nguội nhanh trong khuôn kim loại

Khi nung nóng: sự nóng chảy sẽ xảy ra ở nhiệt độ T >To, Δ T được gọi là độ quá nung

Hình 1.23 Biến đổi năng lượng

tự do của hệ

1.7.2 Hai quá trình của sự kết tinh

Gồm hai quá trình cơ bản nối tiếp nhau xảy ra là tạo mầm và phát triển mầm:

1.7.2.1 Tạo mầm

Tạo mầm là quá trình sinh ra các phần tử rắn có cấu trúc tinh thể, với kích thước đủ lớn, chúng không bị tan đi như trước đó mà phát triển lên như là trung tâm của tinh thể (hạt), hai loại mầm: tự sinh và ngoại lai

Một khi mầm có r ≥ rth →phát triển lên thành hạt

Khi độ quá nguội ΔT càng lớn thì ΔGV cũng càng lớn, rth càng nhỏ → số lượng mầm càng lớn →hạt nhỏ

Mầm ký sinh

Là các hạt rắn nằm lơ lửng trong kim loại lỏng, thành

khuôn đúc → mầm ngoại lai Thực tế là trong nhiều

trường hợp người ta còn cố ý tạo ra và đưa các phần tử

rắn vào để giúp kết tinh, sẽ được nói tới ở mục sau

1.7.2.2 Phát triển mầm

Mầm phát triển là nhờ các đám nguyên tử bám lên bề

mặt mầm đặc biệt là trên các bậc lệch xoắn

Khi được làm nguội tương đối nhanh, thoạt tiên sự

phát triển mầm mang tính dị hướng tức là phát triển rất

nhanh theo một số phương tạo nên nhánh cây, trục bậc I

(A) (hình 1.24), rồi từ trục chính này tạo nên trục bậc II

(B) vuông góc với trục bậc I, rồi từ trục bậc II phân

nhánh tiếp tạo nên trục bậc III (C) cứ như vậy nhánh cây được hình thành

Sau đó kim loại giữa các nhánh cây mới kết tinh tạo nên hạt (tinh thể) đặc kín, không thấy trực tiếp được nhánh cây nữa Nhánh cây chỉ được phát hiện thỏi đúc lớn, phần kết tinh trước làm trơ ra nhánh cây mà không còn kim loại lỏng điền đầy Cũng có thể tẩm thực hợp kim để thấy được nhánh cây

1.7.3 Sự hình thành hạt

1.7.3.1 Tiến trình kết tinh

Ta thấy: từ mỗi mầm tạo nên một hạt, các hạt phát triển trước→to hơn; hạt sau sẽ nhỏ hơn→ kích thước hạt ≠ (chênh lệch ít) do các mầm định hướng ngẫu nhiên→ hạt không đồng hướng, lệch nhau một cách đáng kể → vùng biên hạt với mạng tinh thể bị xô lệch

Hình 1.24 Kết tinh nhánh cây (a), tinh thể nhánh cây (b)

Hình 1.25 Quá trình tạo và phát triển mầm theo thời gian (các hình a,b,c) và kết thúc ở

giây thứ n (d)

1.7.3.2 Hình dạng hạt

Hình dạng hạt phụ thuộc vào phương thức làm nguội:

- Nguội đều theo mọi phương →hạt có dạng đa cạnh hay cầu (hình 1.25)

- Nguội nhanh theo hai phương (tức theo một mặt) →hạt có dạng tấm, lá, phiến như grafit trong gang xám

- Nguội nhanh theo một phương nào đó, hạt sẽ có dạng đũa, cột hay hình trụ

- Dạng tinh thể hình kim (đầu nhọn) → chỉ khi nhiệt luyện

1.7.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc

Hạt nhỏ → cơ tính cao hơn (bền và dẻo hơn = độ dai cao hơn) → tìm cách tạo hạt nhỏ

1.7.4.1 Nguyên lý

Kích thước hạt cũng phụ thuộc vào tương quan của hai quá trình: tạo mầm và phát triển mầm Số mầm được tạo ra càng nhiều thì hạt càng nhỏ , mầm lớn lên (phát triển) càng nhanh thì hạt càng lớn Kích thước hạt A phụ thuộc vào tốc độ sinh mầm n và tốc độ phát triển v (mm/s) theo công thức thực nghiệm

3 4

1,

Khi tăng độ quá nguội ΔTo, tốc độ sinh mầm n

và tốc độ phát triển dài của mầm v đều tăng (hình

Đúc khuôn cát →khuôn kim loại → hạt nhỏ;

Biến tính:

Tạo mầm ngoại lai: 2 loại:

- Kim loại có cùng kiểu mạng hoặc gần giống nhau: FeSi, FeSiCa (gang), Ti (thép)

- Cho chất tạo oxit, nitrit : Al2O3, AlN khi

đúc thép

Hấp phụ: Na cho Silumin (AlSi)

Cầu hoá graphit : Mg, Ce, Đh

Tác động vật lý :

Rung, siêu âm→ bẻ gẫy tinh thể → hạt

nhỏ

Đúc ly tâm → hạt nhỏ

1.7.5 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc

1.7.5.1 Ba vùng tinh thể của thỏi đúc

Các thỏi (thép) đúc thường có tiết diện tròn

hoặc vuông, chúng được đúc trong khuôn kim

loại, đôi khi khuôn còn được làm nguội bằng

nước chúng thường có cấu trúc 3 vùng điển hình (hình 1.27):

Vỏ ngoài cùng là lớp hạt nhỏ đẳng trục 1: doΔ T lớn, mầm ngoại lai nhiều →hạt nhỏ mịn

Do thành khuôn có độ nhấp nhô →các mầm phát triển theo các phương ngẫu nhiên cắt nhau, chèn ép nhau →hạt phát triển đều theo mọi phía

Vùng tiếp theo là lớp hạt tương đối lớn hình trụ 2: vuông góc với thành khuôn, do thành khuôn mới bắt đầu nóng lên → Δ To ↓ , hạt lớn hơn và phát triển mạnh theo phương tiếp tuyến với thành khuôn là phương truyền nhiệt → hạt hình trụ

Vùng ở giữa là vùng các hạt lớn đẳng trục 3:

Kim loại lỏng ở giữa kết tinh sau cùng, thành khuôn đã nóng lên nhiều do đó :

- Δ T ↓ →hạt lớn,

- Nhiệt tản đều theo mọi phương→ hạt đẳng trục

Vùng ngoài cùng luôn luôn là lớp vỏ mỏng, 2 vùng sau phụ thuộc vào điều kiện làm nguội khuôn:

+ Nguội mãnh liệt thì vùng 2 sẽ lấn át vùng 3, thậm chí mất vùng 3 → xuyên tinh →

khó biến dạng dẻo, không phù hợp với thỏi cán

+ Nguội chậm thì vùng 3 lại lấn át vùng 2, thỏi trở nên dễ cán hơn

Hình 1.27 Cấu trú c 3 vùng củ a thỏ i đúc

Co tập trung → lõm co thường nằm ở nơi kết tinh sau cùng: chỗ dày, phía trên Phần thỏi

có lõm co phải được cắt bỏ → tỷ lệ sử dụng chỉ còn khoảng 85 đ ế n 95%

Đúc liên tục không có lõm co

Đối vớ i chi tiết đúc phải để phần lõm co ở đậu ngót →cắt bỏ đi

- Khắc phục: Tăng cường quá trình thoát khí khi kết tinh bằng cách tạo ra sự lưu động của kim loại lỏng, khử khí tốt trước khi rót khuôn, sấy khô khuôn cát và mẻ nấu phải được sấy khô trước khi nấu luyện

→ hoặc đúc trong chân không

+ Thiên tích (segregation):

Là sự không đồng nhất về thành phần và tổ chức của sản phẩm đúc, cả với hợp kim (khi thành phần phức tạp) và kim loại do tích tụ tạp chất Có nhiều dạng thiên tích: theo trọng lượng (thiên tích vùng), trong bản thân hạt, của P, S trong thép

Thiên tích vùng: là sự không đồng nhất về thành phần hóa học trong toàn bộ thể tích vật đúc Thiên tích hạt: là sự không đồng nhất về thành phần hóa học trong nội bộ hạt kim loại Nguyên nhân: Do sự khác nhau về nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng và hệ số khuếch tán của các nguyên tố

- Tác hại: Tạo ra các vùng không đồng đều về cơ tính, làm giảm độ tin cậy của sản phẩm đặc biệt là các vật đúc có kích thước lớn

- Cách khắc phục: Lựa chọn hợp lý các nguyên tố khi tạo hợp kim

Với thiên tích hạt có thể ủ vật đúc để đồng đều hóa thành phần (ủ khuếch tán)

Cố gắng dùng các biện pháp công nghệ tạo sự đồng đều khi kết tinh tiện để tránh thiên tích vùng

Hình 1.28 Các dạng khuyết tật của thỏi đúc

Hình a: Làm nguội mãnh liệt từ đáy khuôn còn các tường bên vẫn giữ ở nhiệt độ cao Kết tinh xảy ra từ đáy lên phía trên, mức kim loại lỏng tụt dần và mặt trên cùng của thỏi đúc có dạng tương đối bằng phẳng

Rỗ khí

Rỗ co

Hình b: Làm nguội mãnh liệt từ đáy và các tường bên Kết tinh xảy ra từ ba phía và lõm co