Vật liệu kỹ thuật

Độ bền là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ. Độ bền còn gọi là giới hạn bền. Ký hiệu: bằng chữ s (xich ma). Các loại độ bền: + Độ bền kéo (sk) +

Chương 2 vật liệu kỹ thuật

CHƯƠNG 2

VẬT LIỆU KỸ THUẬT

2.1 Tính chất chung của kim loại và

hợp kim

2.1.1 Cơ tính (tính chất cơ học của vật

liệu)

Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả

năng của vật liệu khi chịu tác dụng của tải trọng.

Cơ tính của vật liệu bao gồm: độ bền,

độ cứng, độ dãn dài tương đối, độ dai va chạm.

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

a Độ bền là khả năng của vật liệu chịu tỏc dụng của

ngoại lực mà khụng bị phỏ huỷ Độ bền cũn gọi

Giá trị độ bền được tính theo công thức:

(N/mm2)

Giới hạn bền cho phép []

Giới hạn mà tại đó lực P đạt đến giá trị làm

cho thanh kim loại bị phá huỷ được gọi là giới hạn bền cho phép được ký hiệu []

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi cú ngoại lực tỏc dụng thụng qua vật nộn

Cựng một giỏ trị lực nộn biến dạng trờn mẫu

đo càng lớn thỡ độ cứng càng kộm

Sơ đồ đo độ cứng:

Các thang đo độ cứng thường dùng.

- Thang đo HB: thường dùng đo các vật có

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

c Độ dón dài tương đối (%))

Là tỷ lệ tớnh theo phần trăm giữa lượng dón dài

sau khi kộo l1 và chiều dài ban đầu l0 ; Ký

hiệu: %)

%

l0, l1 độ dài trước và sau khi kộo tớnh bằng mm

Vật liệu cú độ dón dài tương đối càng lớn thỡ càng

dẻo và ngược lại

100

0

0 1



d Độ dai va chạm (ak)

Là khả năng chịu tải trọng tác dụng đột ngột (tải

trọng va đập) của vật liệu mà không bị phá

huỷ.Ký hiệu: ak

A: công sinh ra khi va đập làm gẫy mẫu(J)

F: diện tích tiết diện mẫu (mm2)

Đơn vị của ak (J/mm2; kJ/m2)

F A

ak 

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

2.1.2 Lý tớnh

Là tớnh chất vật lý của kim loại thể hiện qua hiện

tượng vật lý khi thành phần hoỏ học của kim loại đú khụng bị thay đổi

Lý tớnh của kim loại thể hiện qua: khối lượng

riờng, nhiệt độ núng chảy, tớnh dón nở, tớnh dẫn nhiệt, tớnh dẫn điện, từ tớnh

2.1.3 Hoỏ tớnh

Là tớnh chất hoỏ học của kim loại thể hiện qua

khả năng chống lại tỏc dụng hoỏ học của mụi trường như tớnh chịu ăn mũn, chịu a xớt v.v…

2.1.4 Tính công nghệ

Khả năngcủa kim loại và hợp kim cho phép gia

công nóng hay nguội dễ hay khó

Tính công nghệ gồm các tính sau:

a.Tính đúc (tính công nghệ đúc của vật liệu) là

khả năng của kim loại dễ hay khó đúc bao

gồm tính chảy loãng, tính thiên tích, độ co,

tính hoà tan khí

b.Tính rèn là khả năng biến dạng vĩnh cửu của

kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiết mà kim loại

không bị phá huỷ

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

b.Tớnh hàn là khả năng của vật liệu cú

thể hàn được

c.Tớnh gia cụng cắt gọt là khả năng

vật liệu gia cụng cắt gọt dễ hay khú như: cắt, cưa, dũa, tiện, phay, bào, mài, khoan, doa v.v…

d.Tớnh thấm tụi là chiều dày lớp kim

loại được tụi cứng

2.2 Cấu tạo và sự kết tinh của kim

loại

2.2.1 Cấu tạo của kim loại nguyên

chất

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

Kim loại cú cấu tạo tinh thể

Cỏc nguyờn tử kim loại sắp xếp theo một

quy luật nhất định.

Mỗi đơn tinh thể đặc trưng cho kim loại đú

cú cỏc nguyờn tử sắp xếp theo trật tự

riờng dưới dạng hỡnh học xỏc định.

Dựng mụ hỡnh mạng tinh thể cũn được gọi

là mạng khụng gian để biểu diễn quy

luật sắp xếp cỏc nguyờn tử

Mô hình sắp xếp các nguyên tử của kim loại

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

Cỏc kiểu mạng thường gặp

- Lập phương thể tõm

Lập phương diện tâm

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

- Lục giỏc xếp chặt

2.2.3 Sự kết tinh của kim loại

a Khái niệm:

Khi kim loại lỏng chuyển trạng thái sang

kim loại rắn được gọi là sự kết tinh.

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

b.Quỏ trỡnh kết tinh:

Kim loại nguyờn chất kết tinh theo một quỏ trỡnh

gồm hai bước liờn tiếp:

Xuất hiện trung tõm kết tinh (tõm mầm)

- Tõm mầm cú loại tự sinh

- Loại tõm mầm cú sẵn

Phỏt triển tõm mầm để tạo thành hạt

Cỏc tõm mầm phỏt sinh làm cho pha lỏng giảm

dần cho đến khi kim loại lỏng hoàn toàn hoỏ rắn (phỏt triển tõm mầm thành tinh thể và hỡnh thành hạt tinh thể)

2.3 Khái niệm cơ bản về hợp kim

2.3.1 Cấu tạo và các tổ chức của hợp kim 2.3.1.1 Khái niệm về hợp kim

Hợp kim là vật liệu trong thành phần của

nó gồm hai hoặc nhiều nguyên tố,

nguyên tố chính là kim loại Hợp kim mang tính chất kim loại, trong hợp kim các nguyên tố được tính theo % về khối lượng hay thể tích.

Hệ (hệ thống): Tập hợp các pha của kim

loại ở trạng thái cân bằng được gọi là hệ hợp kim.

Nguyên (cấu tử):

Nguyên là các nguyên tố hoặc các

hợp chất hoá học bền vững tạo nên hợp kim.

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

2.3.1.3 Cỏc tổ chức của hợp kim

a Dung dịch đặc (dung dịch rắn): hai hoặc

nhiều nguyờn tố cú khả năng hoà tan

vào nhau ở trạng thỏi đặc được gọi là

dung dịch đặc.

Nguyờn tố hoà tan gọi là chất tan

Nguyờn tố giữ nguyờn kiểu mạng gọi là

dung mụi

Mạng tinh thể và tớnh chất của dung dịch

đặc khỏc với nguyờn thành phần

+ Dung dịch đặc thay thế:

Nguyên tử của nguyên tố hoà tan thay

thế nguyên tử của nguyên tố dung môi.

Hình thức thay thế: có hạn hoặc vô hạn

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

+ Dung dịch đặc xen kẽ:

Nguyờn tử của nguyờn tố hoà tan xen vào

kẽ hở (lỗ hổng) của cỏc nguyờn tử của nguyờn tố dung mụi.

Xen kẽ bao giờ cũng cú giới hạn.

b 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.

Mạng tinh thể của hợp chất khác với mạng

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

c Hỗn hợp cơ học

Trong hệ hợp kim cú những nguyờn tố

khụng hoà tan vào nhau cũng khụng liờn kết để tạo thành hợp chất hoỏ học mà

chỉ liờn kết với nhau bằng lực cơ học

thuần tuý, thỡ gọi hệ hợp kim đú là hỗn hợp cơ học.

Hỗn hợp cơ học khụng làm thay đổi mạng

nguyờn tử của cỏc nguyờn tố thành phần

2.3.2 Giản đồ trạng thái của hợp kim

2.3.2.1 Khái niệm chung:

Giản đồ trạng thái (giản đồ pha) của hệ hợp

kim là biểu đồ biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng các

pha của hệ ở trạng thái cân bằng.

Cơ sở để thiết lập giản đồ trạng thái là

đường nguội

P – 727 o C – 0,02%C

Q – 0 o C – 0,006%C

X ê m e n tí t

(F + X ê)

Giản đồ trạng thái fe F– F e 3 C

2,14

2.4.2 Phân loại hợp kim sắt - các bon

2.4.2.1 Thép các bon

a Khái niệm:

Là hợp kim của Fe - C với hàm lượng %C

nhỏ hơn 2,14% Ngoài ra còn một lượng tạp chất như Si, Mn, S, P…

Đây là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi và

là vật liệu chủ yếu của công nghiệp

Có cơ tính đảm bảo, tính công nghệ tốt (dễ

rèn, dập, cắt gọt,

nhiệt luyện …), giá thành không cao

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

b Phõn loại và ký hiệu

Theo tổ chức tế vi và hàm lượng cỏcbon trờn

Theo hàm lượng các bon:

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

-Theo phương phỏp luyện kim

Thộp luyện trong lũ chuyển: thường cú chất lượng

khụng cao, hàm lượng cỏc nguyờn tố kộm

chớnh xỏc

Thộp luyện trong lũ Mactanh: cú chất lượng cao

hơn trong lũ chuyển

Thộp luyện trong lũ điện: cú chất lượng cao nhất,

khử được hết tạp chất tới mức thấp nhất

Căn cứ vào phương phỏp khử o xy chia ra loại

thộp sụi, thộp lắng

- Theo công dụng:

+ Thép cacbon thường (thép cacbon thông dụng): loại này

cơ tính không cao, dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu chịu tải nhỏ dùng trong ngành xây dựng, giao thông.

Được chia làm ba nhóm: A, B, C

Nhóm A chỉ đánh giá bằng chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ

dẻo, độ cứng …);

Nhóm B được đặc trưng bằng thành phần hoá học

Nhóm C đặc trưng cho cả hai chỉ tiêu cơ tính và thành

phần hoá

học.

Nếu là thép sôi thêm vào sau các số chữ S: CT38S

Nếu là thép nửa lắng thêm vào sau các chữ số chữ n:

CT38n

Ký hiệu bằng chữ CD và hàm lượng cacbon tính

theo phần vạn

Ví dụ: CD80A CD chỉ thép C dụng cụ; 80 là

0,8%C; A là chất lượng cao

b Phân loại và ký hiệu gang:

- Theo giản đồ trạng thái Fe – C

Gang trước cùng tinh: C < 4,3% có tổ chức

là peclit, xêmntit và lêđêburit loại này

có độ cứng thấp.

Gang cùng tinh: C = 4,43% chỉ có một tổ

chức lêđêburit loại này tính đúc tốt.

Gang sau cùng tinh: C > 4,43% tồn tại hai

tổ chức lêđêburit và xêmentit loại này có

độ cứng cao nhưng dòn.

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

Gang xỏm

Gang xỏm cú độ bền nộn cao, chịu mài mũn, cú

tớnh đỳc tốt, làm giảm rung động dựng để đỳc cỏc chi tiết cơ bản lớn phức tạp như thõn mỏy,

Gang cầu

Tổ chức tế vi graphit trong gang có dạng

hình cầu

Đặc điểm:Gang cầu có độ bền cao hơn gang

xám nhiều có độ dẻo cao, có cơ tính gần như thép GC có thể thay thế thép trong một số trường hợp để chế tạo các chi tiết trung bình và lớn với hình dạng phức tạp như trục khuỷu, trục cán …

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

Ký hiệu: chữ GC; nhúm số đuựa chỉ sự

bền kộo, nhom số sau chỉ độ dón dài tương đối (%) Vớ dụ: GC 42 - 12 ở đõy GC chỉ gang cầu; 42 chỉ độ bền kộo 42MPa; 12 chỉ độ dón dài tương đối  = 12%.

Gang dẻo

Được chế tạo từ gang trắng bằng phương pháp

nhiệt luyện (ủ) tạo nên

Tổ chức tế vi gang dẻo có graphit ở dạng cụm

Gang dẻo còn được gọi là gang rèn, có độ bền cao

và độ dẻo cao gần bằng thép

Sử dụng làm các chi tiết nhỏ, chịu va đập, thành

mỏng trong công nghiệp ô tô …

Ký hiệu: chữ GZ và hai nhóm số tương tự gang

cầu

Ví dụ: GZ37 - 12

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

2.4.2.3 Thộp hợp kim

a Khỏi niệm: là loại thộp mà ngoài Fe và C cũn cú cỏc

nguyờn tố hợp kim (Mn, Si, Ni, Ti, W, Co, Mo …) với một hàm lượng đủ lớn (khụng phải là tạp chất) để làm thay đổi tổ chức, tớnh chất của thộp và cho những tớnh chất mới đặc biệt mà thộp cacbon khụng cú.

Đặc điểm:

Trước nhiệt luyện cơ tớnh giống thộp cacbon sau nhiệt

luyện thỡ tốt hơn.

Giữ được độ bền ở nhiệt độ cao hơn thộp cacbon.

Cú tớnh chất lý hoỏ đặc biệt: chống ăn mũn, thộp từ tớnh

cao, thộp khụng cú từ tớnh, gión nở nhiệt rất nhỏ.

Giỏ thành thộp hợp kim cao nhưng được sử dụng nhiều vỡ

cơ tớnh đặc biệt dựng để chế tạo cỏc chi tiết chịu lực, chịu nhiệt, chịu ăn mũn, giảm nhẹ khối lượng và kớch thước mỏy.

b Phân loại và ký hiệu

- Phân loại theo thành phần hợp kim

có trong thép

Thép hợp kim thấp: tổng % hợp kim < 2,5% Thép hợp kim trung bình: tổng % hợp kim từ

Loại này phải qua thấm C sau đó mới nhiệt luyện

cho cơ tính cao

Loại thép hợp kim có hàm lượng C thấp gồm các

loại sau: nhóm thấm C, Thép hoá tốt, Thép lò

xo, Thép vòng bi

Loại thép hợp kim kết cấu được dùng để chế tạo

các chi tíêt chịu tải trọng cao, cần độ cứng , độ chịu mài mòn, hoặc cần tính đàn hồi cao v.v…

+ Thép hợp kim dụng cụ:

Là loại thép cần có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện (HRC

60  62), chịu nhiệt và chịu mài mòn cao Hàm lượng

C trong hợp kim dụng cụ từ 0,7  1,4% các nguyên

tố hợp kim cho vào Cr, W, Si, Mn

Loại thép này dùng để chế tạo dụng cụ cắt có năng suất

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

Đặc điểm HKC :

HKC là loại vật liệu điển hỡnh với độ cứng

núng rất cao (khụng cần nhiệt luyện vẫn đạt độ cứng 85  92 HRC), nhiệt độ 800 -

10000C dụng cụ vẫn cắt gọt bỡnh thường Chịu mài mũn HKC được dựng làm dụng cụ

b Phân loại và phạm vi ứng dụng

Nhóm I cacbit: WC + Co

(cacbit vônfram, chất dính kết Co)

Ký hiệu BK (liên xô) gồm các mác sau: BK2, BK3,

BK4, BK6, BK8, BK10, BK25.

Nội dung ký hiệu như sau: B (Von fram); K (chất dính

kết Co); có 8% chất dính kết Co, còn lại 92% là cacbit vonfram.

Đặc điểm loại này có độ dẻo, chịu va đập, thích hợp

làm dụng cụ cắt gọt vật liệu dòn, làm khuôn ép,

khuôn kéo

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

Nhúm 2 cacbit: WC + WT + Co

(Cacbit W, cacbit Ti, chất dớnh kết Co)

Ký hiệu: TK (liờn xụ) T là cacbit Ti, cacbit W

khụng ghi, K là chất dớnh kết Co,

Cỏc mỏc loại này: T5K10, T15K6, T30K4 …

Thành phần: T15K6 cú 15% cacbit Ti, 6% chất dớnh kết Co, cũn lại 79% WC

Đặc điểm loại này: độ dẻo thấp hơn loại 1 cacbit,

thớch hợp với gia cụng vật liệu dẻo, thộp bền núng, cắt tốc độ cao, tải trọng lớn

điều kiện

năng nhất (gia công phôi đúc, phôi rèn …)

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

2.6 Kim loại màu và hợp kim của chỳng

2.6.1 Khỏi niệm và đặc điểm về kim loại màu và

hợp kim của nú

a Khỏi niệm: Kim loại màu là một cỏch gọi tờn

nhúm cỏc vật liệu kim loại và hợp kim khụng phải trờn cơ sở sắt (liờn xụ cũ và một số nước XHCN trước đõy sử dụng, cỏc nước phương tõy khụng dựng cỏch phõn loại này)

b Đặc điểm chung: cú tớnh dẻo cao, cơ tớnh khỏ

cao, cú khả năng chống ăn mũn và chống mài mũn, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt

2.6.2 Nhômưvàưhợpưkimưnhôm

a Nhômưnguyênưchất.ư

Nhôm là kim loại nhẹ có khối l ợng riêng

khoảng 2,7g/cm3, có tính dẫn điện và dẫn

nhiệt cao, chống ăn mòn tốt, nhiệt độ nóng

chảy 660oC, độ bền thấp  = 60 N/mm2 nh ng dẻo Trên bề mặt nhôm có một lớp ôxít bảo vệ chống ăn mòn trong môi tr ờng không khí ở

nhiệt độ th ờng Nhôm nguyên chất chia thành

3 họ

Nhôm tinh khiết A999 có 99,999% Al

Nhôm có độ sạch cao A95 – A995 có 99,95 –

99,995% Al

Nhôm kỹ thuật A0 – A85 có 99 – 99,85% Al

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

b Hợpưkimưnhôm

Theo giản đồ trạng thái Nhôm – nguyên

tố hợp kim có thể chia hợp kim nhôm

của hệ bất kỳ thành 2 nhóm biến dạng

và đúc.

+ Hợp kim nhôm biến dạng là loại có thành

phần hợp kim nằm bên trái điểm C’, hợp kim này rất dễ biến dạng dẻo Trong

khoảng thành phần của hợp kim nhôm biến dạng lại chia ra.

Các hợp kim có thành phần bên trái điểm D có tổ

chức là dung dịch rắn khi nung nóng và làm nguội không có chuyển biến pha cho nên

không hoá bền bằng nhiệt luyện đ ợc

Các hợp kim có thành phần từ D – C’ ở nhiệt độ

th ờng có tổ chức là dung dịch rắn + pha thứ 2, khi nung nóng pha thứ 2 này hoà tan vào dung dịch rắn, khi làm nguội nhanh thu đ ợc dung

dịch rắn quá bão hoà và sau đó lại tiết ra pha thứ 2 ở dạng phân tán làm tăng độ bền nên loại này hoá bền bằng nhiệt luyện đ ợc

g tinh C

2.6.3 Đồngưvàưhợpưkimưđồng

a Đồngưnguyênưchất

- Đồng là kim loại chỉ có một dạng thù hình, có mạng

tinh thể lập ph ơng diện tâm với thông số mạng a = 3,6

- Tính chất của đồng.

Khối l ợng riêng lớn  = 8,94 g/cm3

xít chặt và có tính bảo vệ cao)

Tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao

Rất dẻo, dễ biến dạng cán, kéo, dát mỏng, …

b Hợpưkimưđồng

Các hợp kim của đồng có cơ tính t ơng đối

cao, tính công nghệ tốt và có hệ số ma sát nhỏ trong khi vẫn giữ đ ợc những u

điểm của đồng là tính dẫn nhiệt và dẫn

điện cao, ổn định hoá học tốt, tính dẻo tốt, …

+ Theo tính công nghệ hợp kim đồng đ ợc

chia ra thành hợp kim đồng biến dạng và hợp kim đông đúc

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

+ Theo thành phần hoá học chia ra Đồng thau và

đồng thanh

- Đồng thau (Latông) là hợp kim của đồng và kẽm

Đồng thau lại chia ra

Đồng thau đơn giản là hợp kim chỉ có 2

2.7 Vật liệu phi kim loại

Chươngư2 vật liệu kỹ thuật

b Tớnh chất của gỗ

* Tớnh chất vật lý.

+ Độ ẩm

Độ ẩm là lượng nước chứa ở trong gỗ, biểu

diến bằng phần trăm Độ ẩm được xỏc định

W  

Lượng nước chứa trong gỗ có 2 dạng: Nước

tự do (nước mao dẫn) chứa trong các lỗ rỗng; và nước liên kết (hút ẩm) nằm trong các vỏ tế bào Như vậy độ ẩm của

gỗ gồm có độ ẩm liên kết và độ ẩm tự

do Khi sấy, đầu tiên mất độ ẩm tự do sau đó mới mất độ ẩm liên kết.

kính của gỗ dao động trong khoảng KK =

K 

* Cơ tính của gỗ

Gỗ là polyme dị hướng, tính chất của gỗ phụ thuộc độ ẩm và các yếu tố khác Cơ tính của

gỗ được xác định khi có độ ẩm từ 8 đến 20%, lấy độ ẩm tiêu chuẩn là 15% và ký hiệu là

σ15, xác định theo công thức:

σ15 = σw[1+α(W-15)]

Trong đó: σw- độ bền đo được khi có độ

ẩm W ở thời điểm đo

W- độ ẩm lúc đo

α- hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc độ ẩm α =

0,01~0,05