Bài tập 1 trang 4Một số thành tựu nổi bật của cuộc cách mạng vật liệu hiện đại.Những điểm nóng trong vật liệu hiện nay là: vật liệu nano (để chế tạo những vật cực nhỏ), vật liệu siêu dẫn (cho phép dòng điện cường độ cực lớn chạy qua vì gần như không có điện trở), vật liệu sinh học, vật liệu điện tử, vật liệu quang điện.Bài tập 2 trang 4 Vai trò của vật liệu cơ khí trong quá trình công nghiệp hóahiện đại hóa ở nước ta
Trang 1BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
BÁO CÁO BÀI TẬP VẬT LIỆU HỌC
GVHD: PHẠM THỊ HỒNG NGA
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 11 năm 2014
Trang 2Bài tập 1 trang 4
Một số thành tựu nổi bật của cuộc cách mạng vật liệu hiện đại.
Những điểm nóng trong vật liệu hiện nay là: vật liệu nano (để chế tạo những vật cực nhỏ), vật liệu siêu dẫn (cho phép dòng điện cường độ cực lớn chạy qua vì gần như không có điện trở), vật liệu sinh học, vật liệu điện tử, vật liệu quang điện.
Nanocellulose – một loại vật liệu siêu bền, siêu nhẹ, dẫn điện Chính những tính chất này đã tạo nên một siêu vật liệu với những tiềm năng to lớn có thể thay đổi thế giới của chúng ta
Ứng dụng của Nanocellulose:
_Màn hình dẻo:
Lợi dụng tính chất cực kỳ nhẹ và bền, đặc biệt là trong suốt của Nanocellulose, nó có thể làm vật liệu lý tưởng thay thế cho thủy tinh hay nhựa để sản xuất màn hình hiển thị Nanocellulose có thể tạo thành một màn hình linh hoạt nhưng mạnh mẽ và bền vững nên hoàn toàn có thể uốn cong thành bất cứ hình dạng nào
Trang 3Áo giáp siêu bền và siêu nhẹ:
Người ta định hình chuỗi
nanocellulose thành một dạng sợi các
tinh thể nanocellulose, sợi này có khả
năng chịu lực gấp 8 lần so với thép
Điều đặc biệt để nanocellulose trở
thành một vật liệu lý tưởng để chế tạo
áo giáp là trọng lượng cực kỳ nhẹ và
vô cùng cơ động, nên nó có khả năng
tạo ra một bộ áo giáp bảo vệ toàn bộ cơ thể nhưng vẫn cực kỳ nhẹ Bộ giáp ấy sẽ có khả năng biến bạn thành một siêu anh hùng như Iron Man, nhung trong trường hợp này sẽ là
Nanocellulose Man đấy Chúng ta có quyền hi vọng về các đội quân Nanocellulose Man trong thời gian không xa đấy
Những chiếc xe nhẹ, nhanh và làm việc hiệu quả hơn:
Nếu trước đây sợi Cacbon là vật liệu số 1 nhằm tăng hiệu suất cho một chiếc xe thì có lẽ bây giờ nanocellulose sẽ đảm nhận nhiệm vụ đó Vốn dĩ nanocellulose nhẹ và bền như sợi cacbon, nhưng lại có giả thành sản xuất rẻ hơn do áp dụng công nghệ sản xuất từ tảo xanh, chính vì thế nanocellulose sẽ là lựa chọn hàng đầu thay thế cho sợi Cacbon để chế tạo các chi tiết cho xe hơi nhẹ hơn
Vật liệu siêu dẫn:
Các nhà nghiên cứu đến từ đại học Cambridge mới đây đã tạo ra một loại vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao với khả năng tạo ra một từ trường có độ lớn 17,6 Tesla, phá vỡ kỷ lục được thiết lập trong phòng thí nghiệm cách đây một thập kỷ.
Được phát hiện lần đầu tiên vào
năm 1911, vật liệu siêu dẫn là một
lớp các vật liệu bao gồm thuỷ ngân
và chì Khi được làm lạnh xuống
điểm 0 tuyệt đối (- 273 độ C),
Trang 4chúng có thể dẫn điện với điện trở bằng 0 Ngày nay, những vật liệu này được sử dụng để chế tạo các nam châm điện cực mạnh dùng trong các thiết bị ảnh hoá cộng hưởng từ tính (MRI), tàu đệm từ maglev và các thiết bị tạo từ trường hình xuyến
Tokamak trong các lò phản ứng hạt nhân Trong tương lai, vật liệu siêu dẫn còn có thể được dùng để tăng hiệu suất cho các lưới điện bằng khả năng truyền dẫn một lượng điện rất lớn với tỉ
lệ thất thoát rất thấp
Các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao chứa đồng như GdBaCuO hiện đang được sử dụng trong một số ứng dụng nhất định Một
ví dụ là máy gia tốc hạt Large Hedron Collider hiện đang dùng
hệ thống cáp điện dài 10km có lõi bằng vật liệu siêu dẫn nhiệt
độ cao chứa đồng Tuy nhiên, các vật liệu này khá dễ vỡ và việc phải tạo ra một từ trường rất mạnh khiến vật liệu có thể phát nổ
Cardwell cùng các cộng sự đã khắc phục trở ngại này bằng cách gia cố GdBaCuO với một lớp thép không ghỉ dày 3mm và điều chỉnh cấu trúc micro của vật liệu để tăng hiệu quả truyền dẫn điện và nhiệt Kết quả là vật liệu vốn rất giòn như gốm nhưng lại
có khả năng chịu được một lực tương đương 3 tấn
Graphen - Kỉ nguyên quang điện mới
Phần lớn lượng thông tin hiện đại trên thế giới được truyền tải qua khoảng cách lớn đều dưới dạng ánh sáng laser hồng ngoại Bởi vậy, các thiết bị đầu cuối có một thiết bị gọi là bộ tách sóng quang học để chuyển tín hiệu quang học thành tín hiệu điện Bộ tách sóng quang học graphen được tích hợp vào chip CMOS silicon có thể tăng tốc độ xử lý lên hàng ngàn lần, kích thước cực nhỏ lại có thể tiết kiệm điện năng triệt để Bởi vậy, thế giới
đã đưa ra dự báo một kỉ
nguyên quang điện tử
mới có tên “graphen”
Graphen sẽ đem đến 2
đột phá mạnh mẽ, đầu
tiên phải nhắc đến là tốc
Trang 5độ nhận và xử lý tín hiệu tăng lên hàng ngàn lần Thậm chí bộ tách sóng quang học từ graphen tạo ra rất ít hao hụt phía sau tấm graphen xét về mặt tốc độ và khả năng đáp ứng (độ trễ)
Ưu điểm thứ 2 của graphen đó chính là kích thước nhỏ đến khó tin, một con chip 1 centimet vuông có thể chứa đến 20.000 bộ tách sóng Trên lý thuyết, một con chíp có thể tiếp nhận 20.000 đường tín hiệu độc lập trong một cơ cấu chuyển đổi có độ phân giải cực cao Khó khăn lớn nhất không phải là việc tạo ra bộ tách sóng quang học từ ghraphen mà là tích hợp nó vào chip Chúng ta không thể chỉ đơn giản là đổi bộ tách sóng và sử dụng con chip cũ Xét về nhiều mặt thì một bộ chuyển đổi hồng ngoại phải chuyển được tín hiệu quang học để sử dụng được trong máy tính Nhiều vi xử lý trong một hệ thống phải kết nối được với nhau nhanh hơn và tiêu tốn ít điện năng hơn
Hạn chế lớn nhất của graphen đó là độ nhạy Trong khi mà tốc
độ chuyển đổi quá nhanh thì đáp ứng của nó đối với ánh sáng có cường độ thấp lại quá tệ, tệ hơn 10 lần so với đối thủ của nó là germani Tuy nhiên các nhà nghiên cứu vẫn tự tin về khả năng tìm ra phương pháp để giải quyết vấn đề trên
Trang 6Bài tập 2 trang 4
Vai trò của vật liệu cơ khí trong quá trình công nghiệp hóa-hiện đại hóa ở nước ta
Vật liệu ngành cơ khí có vị trí đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển của nền kinh tế Trên thế giới không có bất kỳ quốc gia nào thực hiện thành công sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa mà lại không có ngành cơ khí mạnh, sự phát triển của ngành cơ khí vừa là nền tảng
vừa là động lực cho sự phát triển
của tất cả các ngành nghề khác
nhau.Trong xã hội, nó còn có tác
động tích cực đến ngành dịch vụ
thông qua sự phát triển của
mạng lưới phân phối, thu hút số
lượng lao động xã hội, tham gia
vào quá trình phân công lao
động và hợp tác quốc tế Phát
triển ngành cơ khí sẽ cho phép
các nước tiết kiệm được những khoản ngoại tệ lớn dành cho nhập khẩu máy móc thiết bị hàng năm (những năm gần đây Việt Nam đã nhập khẩu bình quân hàng năm là trên 10 tỷ USD đối với máy móc thiết bị) và phát huy được thế mạnh cạnh tranh của nguồn nhân lực của các nước đang phát triển
Việt Nam đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với mục tiêu phần đấu đến năm 2020 trở thành nước công nghiệp Công nghiệp hóa, hiện đại hóa mà nội dung là xây dựng nền kinh tế mà sản phẩm của nó chủ yếu được sản xuất bằng máy móc, thiết bị hiện đại do vậy ngành cơ khí càng có vai trò quan trọng, hơn nữa Việt Nam là đất nước xuất phát điểm thuần nông, có số dân lớn do vậy chúng ta không thể tiến
hành sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa bằng máy móc, thiết bị của nước ngoài tức là không thể bằng bàn tay của người
Trang 7khác, chính vì vậy phát triển cơ khí càng trở nên có ý nghĩa và cấp thiết hơn bao giờ hết
Ngành cơ khí Việt Nam đã có thời kỳ thuộc loại mạnh của khu vực và đáp ứng đến hơn 50% nhu cầu của nền kinh tế Hiện nay, cùng với quá trình mở cửa nền kinh tế và hội nhập với nền kinh
tế khu vực và thế giới là một làn sóng đầu tư ồ ạt chảy vào Việt Nam, các công ty sản xuất các sản phẩm cơ khí (cơ khí thiết bị, thiết bị đóng tàu, lắp ráp ô tô…) của Việt Nam đã bắt đầu tìm được những đối tác chiến
lược để hình thành nên các
liên doanh sản xuất và lắp
ráp thiết bị cơ khí Tuy
nhiên, do xuất phát từ một
nền kinh tế nông nghiệp, cơ
sở vật chất kỹ thuật và
nguồn nhân lực yếu nên sản
phẩm cơ khí của ngành
cơ khí Việt Nam nói chung
đến nay vẫn còn nhỏ bé - giá trị kim ngạch thấp, manh mún, thiếu vốn, thiều nguồn cung cấp nguyên vật liệu, máy móc thiết
bị phần lớn lạc hậu và rất nhiều bất cập khác Cho nên chất lượng sản phẩm thấp, mẫu mã đơn điệu, giá trị gia tăng của sản phẩm chưa cao, hạn chế về thị trường xuất khẩu và chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn so với ngành cơ khí thế giới
Xu hướng toàn cầu hóa, hội nhập kinh tế quốc tế đang diễn ra mạnh mẽ trên tất cả các quốc gia, trên các lĩnh vực kinh tế Việt Nam với tư cách là thành viên thứ 150 của Tổ chức Thương Mại Thế giới (WTO) cũng sẽ phải
tìm cách phát triển ngành cơ khí để tạo động lực cạnh tranh trên thị trường Quốc tế cho chính ngành cơ khí nói riêng và các ngành công nghiệp khác nói chung, đồng thời tạo thêm nhiều công việc cho người lao động đang trong quá trình chuyển cần giảm tỷ lệ lao động nông nghiệp chuyển sang lao động công nghiệp
Trang 8Bài tập 1 trang 5
Từ một trong các giản đồ pha loại I,II,III, trình bày quá trình kết tinh của hợp kim điển hình khi làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng,nêu rõ: đồ thị quá trình kết tinh, các pha của hợp kim ở nhiệt độ thường, và tính chất của hợp kim
ở trạng thái cân bằng.
Trang 9Hình 3.10 Dạng tổng quát của giản đồ pha loại II (a) và các giản đồ pha hệ Cu - Ni (b), hệ Al2O3 - Cr2O3 (c)
Là giản đồ pha của hệ hai cấu tử với tương tác hòa tan vô hạn vào nhau, có dạng tổng quát trình bày ở hình 3.10a và các hệ điển hình có kiểu này là hệ đồng - niken (Cu - Ni) ở hình 3.10.b
và hệ Al2O3 - Cr2O3 ở hình 3.10c, có dạng của hai đường cong khép kín, trong đó đường trên là đường lỏng, đường dưới là đường rắn, dưới đường rắn là vùng tồn tại của dung dịch rắn α
có thành phần thay đổi liên tục Các hợp kim của hệ này có quy luật kết tinh rất giống nhau: “nếu lấy đơn vị đo là lượng cấu tử thành phần khó chảy hơn thì thoạt tiên hợp kim lỏng kết tinh ra dung dịch rắn giàu hơn, vì thế pha lỏng còn lại bị nghèo đi, song khi làm nguội chậm tiếp tục dung dịch rắn tạo thành biến đổi thành phần theo hướng nghèo đi và cuối cùng đạt đúng như thành phần của hợp kim”
Hãy xét sự kết tinh của một hợp kim cụ thể 35%Ni + 65%Cu như ở hình 3.11
- Ở 1300oC ứng với điểm 1 (nằm trong vùng L), hợp kim ở trạng thái lỏng (chưa kết tinh), trạng thái này tồn tại cho đến điểm 2 Ở 1270oC ứng với điểm 2 (chạm vào đường lỏng), hợp kim bắt đầu kết tinh ra dung dịch rắn α2’’ (49%Ni) Tiếp tục làm nguội chậm, lượng α càng nhiều lên, L càng ít đi và thành phần của hai pha này biến đổi tương ứng theo đường rắn và đường lỏng theo chiều giảm của Ni (là cấu tử khó chảy hơn)
- Có thể tính dễ dàng tỷ lệ giữa hai pha này ở nhiệt độ xác định,
ví dụ ở điểm 3, 1250oC Với ba tọa độ: hợp kim 3 - 35%Ni và hai pha: lỏng 3’ - 30%Ni, dung dịch rắn α3’’ - 43%Ni
Trang 10Hình 3.11 Sơ đồ biểu diễn sự hình thành tổ chức khi kết tinh ở trạng thái cân bằng của hợp kim 35%Ni + 65%Cu
L3’ / α3’’ = 33’’ / 33’ = (43 - 35) / (35 - 30) = 8 / 5,
L3’ = 33’’ / 3’3’’ = (43 - 35) / (43 - 30) = 8 / 13 = 0,615 hay 61,5%,
α3'' = 33’ / 3’3’’ = (35 - 30) / (43 - 30) = 5 / 13 = 0,385 hay 38,5%
- Đến 1220oC ứng với điểm 4 (chạm vào đường rắn), dung dịch rắn α có thành phần ứng với điểm 4 tức đúng bằng thành phần của hợp kim, đoạn 33’’ (bên phải) bằng không tức không còn pha lỏng (lúc đó có thể coi còn một giọt lỏng ứng với điểm 4’ với 23%Ni, khi giọt lỏng này kết tinh xong sự kết tinh coi như
đã kết thúc) Như vậy lúc đầu có khác xa, song trong quá trình kết tinh dung dịch rắn tạo thành biến đổi dần dần về đúng thành phần của hợp kim Tuy nhiên điều này chỉ đạt được khi kết tinh cân bằng tức khi làm nguội chậm và rất chậm nhờ kịp xảy ra khuếch tán làm đều thành phần Nếu làm nguội nhanh, do không kịp khuếch tán làm đều thành phần, trong mỗi hạt dung dịch rắn tạo thành sẽ có nhiều lớp với các thành phần khác nhau: ở trung tâm giàu cấu tử khó chảy hơn cả, càng gần biên giới càng nghèo
đi Hiện tượng này được gọi là thiên tích trong bản thân hạt Để tránh nó phải tiến hành nguội chậm khi đúc hay khắc phục bằng
Trang 11cách ủ khuếch tán vật đúc ở nhiệt độ gần đường rắn Trong giản
đồ loại I cũng có thể xảy ra thiên tích với kiểu khác gọi là thiên tích theo khối lượng khi hai cấu tử có khối lượng riêng khác nhau rõ rệt, cấu tử kết tinh trước nếu nhẹ hơn thì nổi lên, nếu nặng hơn thì chìm xuống dưới thỏi Để tránh nó phải tiến hành nguội nhanh khi đúc và một khi đã bị thiên tích loại này không
có cách gì khắc phục được
Bài tập 1 trang 7
Chọn thép và xác định quá trình nhiệt luyện để chế tạo chi tiết bánh răng:
Phương pháp để nhiệt luyện đạt yêu cầu đó như sau:
+) thiết bị: lò cao tần
+) vòng cảm ứng: tùy theo kích cỡ bánh răng, bánh răng nhỏ thì sản phẩm đặt lọt trong vòng cảm ứng, bánh răng lớn thì tôi từng răng
+) đồ gá: bánh răng lớn phải dùng trục quay, bánh răng nhỏ có thể dùng giá treo lên xuống theo chiều thẳng đứng
+) phương pháp nhiệt luyện : tôi phun, sử dụng một ống cuốn giống vòng cảm ứng, mặt trong khoan nhiều lỗ nhỏ, sử dụng bơm nước để tạo thành vòng phun Nếu là bánh răng nhỏ, vòng cảm ứng trên vòng phun, khi chi tiết hoặc cụm vòng cảm ứng di chuyển, nung nóng đến đâu sẽ tôi ngay đến đó; tốc độ di chuyển (có thể coi như tốc độ nung) tùy thuộc vào lò nhưng phải đảm bảo bề mặt chi tiết được nung đến nhiệt độ ~ 840 – 860 độ C Đối với bánh răng lơn, vòng cảm ứng phải được chế tạo theo biên dạng răng, khoảng cách vòng cảm ứng cách đều bề mặt răng càng nhỏ càng tốt (chú ý không để chạm); khi bề mặt đạt nhiệt độ tiến hành phun nước làm mát ngay lập tức (nước phun càng đều càng tốt), xong răng thứ nhất thì xoay bánh răng để nhiệt luyện tiếp cho đến khi xong toàn bộ răng Tốc độ nung tính toán tương tự như bánh răng nhỏ Trong thực tế, nếu lò có tần số > 90Hz, độ thấm tôi khoảng 1 mm, vòng cảm ứng thiết kế
Trang 12tốt, thời gian nung < 3s và tất nhiên là không có thời gian giữ nhiệt