Vật liệu co khi han

Chương I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI HỢP KIM Bài 1: TẦM QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Bài 02: CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Bài 3: TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Chương II KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ĐEN Bài 3: GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT – CACBON

Dự thảo:

Chương trình MĐ09: VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Nghề : HÀN Thời lượng: 45 TIẾT I/ Vị trí, Tính chất của môn học:

- Môđun được bố trí sau khi hoàn thành các môn học chung, trước các môn học/môđun đào tạo chuyên môn nghề

- Là môn cơ sở bắt buột

II/ Mục tiêu môn học: hoàn thành môn học, học sinh có khả năng:

- Trình bày được đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số loạivật liệu thường dùng: Gang, Thép cacbon, Thép hợp kim, các kim loại màu hợp kimmàu, các loại vật liệu phi kim loại

- Trình bày được một số khái niệm cần thiết về nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện

- Hiểu được nguyên lý thực hiện cơ bản của các phương pháp gia công cơ khí

- Nhận biết được vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm thanh khi gõ, đậpbúa, xem tia lửa khi mài

- Có thể tự mua các loại vật liệu theo yêu cầu

III/ Nội dung chi tiết và phân phối thời gian:

(tiết)

LT T H KT PHẦN I: VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Mở đầu Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim

Chương

1 Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim

Bài 1 Cấu tạo của kim loại, hợp kim

1 Khái niệm, đặc điểm, phân loại và cấu tạo của kim loại

2 Khái niệm, đặc điểm, phân loại và cấu tạo của hợp kim

Bài 2 Tính chất chung của kim loại, hợp kim

Bài 1 Khái niệm chung

Bài 2 Giản đồ trạng thái Sắt-Cácbon

3 Kim loại màu và Hợp kim màu

Bài 1 Nhôm và Hợp kim Nhôm

Bài 2 Đồng và Hợp kim Đồng

Bài 3 Các kim loại và Hợp kim màu khác

Chương

Bài 1 Chất dẻo, Cao su

Bài 2 Gỗ, Dầu nhờn mỡ bôi trơn

Bài 3 Compozit.

Ôn tập-Kiểm tra

PHẦN II: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT

LUYỆN

Chương

Bài 1 Khái niệm, ý nghĩa của Nhiệt luyện

Bài 2 Các phương pháp nhiệt luyện

Bài 3 Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện.

Chương

2 Hóa nhiệt luyện và Xử lý bảo vệ bề mặt kim loại

Bài 1 Khái niệm, ý nghĩa của Hóa nhiệt luyện

Bài 2 Các phương pháp hóa nhiệt luyện

Bài 3 Các phương pháp xử lý bảo vệ bề mặt kim loại.

Ôn tập-Kiểm tra

Ôn tập-Kiểm tra Kết thúc môn

HÀ MINH TUÂN

GIỚI THIỆU

I/ Tài liệu h ọc tập:

1 Vật liêu học – Bộ môn kỹ thuật vật liệu – ĐHKTCN 1993;

2 Thí nghiệm kim loại học và nhiệt luyện – Bm KTVL – ĐHKTCN 1974.

II/ Tài liệu tham khảo:

1 Vật liệu học – Lê Công Dưỡng – NXB KHKT Hà Nội 1997;

2 Kim loại học và nhiệt luyện – Nghiêm Hùng –Hà Nội 1979;

3 Sách tra cứu thép, gang thông dụng – Nghiêm Hùng – ĐHBK HN 1999;

4 Công nghệ nhiệt luyện – Phạm Minh Phương, Tạ văn Thất – NXB GD 2000.

Phần I: VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Chương I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN & TÍNH

CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI - HỢP KIMBài 1: TẦM QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

Trong lịch sử phát triển của xã hội loại người, chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại vậtliệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng ngày càng cao hơn Đầu tiên là thời đại

đồ đá, đến thời kỳ đồ đồng, đồ đá… Cho đến ngày nay là một loạt các loại vật liệu mới:composit, polyme… Các loại vật liệu này (đặc biệt là kim loại, hợp kim và các loại vật liệumới) đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hội loài người một cách nhanh chóng

Đến nay người ta đã tìm ra trên 100 nguyên tố hóa học, trong đó khoảng ¾ lànguyên tố kim loại, còn lại là phi kim Từ nguyên tố kim loại cơ bản đó, người ta có thểnấu luyện ra hàng ngàn loại hợp kim khác nhau Trong vỏ trái đất kim loại có nhiều nhất lànhôm: 7%, sắt: 5%

- Các kim loại (sắt (Fe), đồng (Cu), nhôm (Al), chì (Pb), thiết (Sn), kẽm (Zn), .) và hợpkim (gang, thép, hợp kim đồng, hợp kim nhôm ); từ lâu đã được sử dụng rất rộng rãitrong các ngành kinh tế quốc dân, trong Quốc phòng cũng như trong cuộc sống hàng ngàycủa con người Kim loại và hợp kim đã và đang đóng vai trò rất quan trọng trong sự pháttriển của xã hội loài người Kim loại và hợp kim đáp ứng được những yêu cầu rất đa dạngcủa các ngành công nghiệp Vì vậy kim loại và hợp kim là các loại vật liệu chủ yếu vàquan trọng nhất đối với ngành công nghiệp hiện đại

- Một trong những chỉ tiêu để đành giá sự phát triển của một Quốc gia là khối lượng kimloại và hợp kim được sản xuất và sử dụng trong một năm Đồng thời để xây dựng và pháttriển nền kinh tế Quốc dân vững mạnh, việc phát triển nền kinh tế công nghiệp nặng khôngthể không được tính đến, trong đó việc chế tạo các sản phẩm cơ khí là nhiệm vụ then chốt

Để có được các sản phẩm cơ khi thì phải có vật liệu mà kim loại và hợp kim là những vậtliệu quan trọng nhất

- Hàng năm ngành công nghiệp chế tạo các sản phẩm cơ khí sử dụng một khối lượng rấtlớn kim loại và hợp kim Để lựa chọn đúng các loại vật liệu thích hợp , thảo mãn các yêucầu về kỹ thuật và tính kinh tế phục vụ cho việc chế tạo ra các chi tiết thì người công nhân,người cán bộ kỹ thuật cơ khí phải có kiến thức đầy đủ về các loại kim loại và hợp kim

Bài 02: CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Menđêleep có hơn 100 nguyên tố hóa học,trong đó khoảng ¾ là nguyên tố kim loại, còn lại là phi kim Trong bài này chúng tanghiên cứu cấu trúc của mạng tinh thể, sự sắp xếp các nguyên tử và mật độ của chúngcũng như khoảng cách giữa các mặt tinh thể

I/ Kim loại:

1) Khái niệm, đặc điểm và phân loại kim loại:

1.1 Định nghĩa: kim loại là vật thể sang, dẻo, có tính ánh kim, có tính dẫn điện và dẫn

nhiệt cao

Bất cứ kim loại nào có bề mặt chưa bị ôxy hóa đều có vẽ lấp lánh sang mà ta thường gọi

là ánh kim Hầu hết các kim loại đều dẻo, có thể kéo sợi, dát mỏng dễ dàng Tuy vậykhông phải vật liệu nào cũng có thể thỏa mãn những tính chất trên

Ví dụ: - Stibi (Sb) rất dòn không thể rèn được.

- Pradeodim (Pr) dẫn điện rất kém

* Kim loại là vật thể có hệ số nhiệt điện trở dương (+: khi nhiệt độ tăng thì điện trởtăng)

* Phi kim có hệ số điện trở âm (-: khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm)

1.2 Đặc điểm của kim loại theo lý thuyết cổ điển:

- Kim loại có tính ánh kim là khi có ánh sang chiếu vào thì điện trở sẽ hấp thụ nănglượng Do đó nó có năng lượng cao hơn, bị kích thích và nhảy lên mức năng lượng trên.Tại mức năng lượng này là không ổn định do đó điện tử chỉ tồn tại một thời gian rất ngắn

và sau đó trở về mức năng lượng củ Khi đó chúng thải bớt năng lượng dưới dạng bức xạ

và làm cho kim loại có vẽ lấp lánh sang

- Tính dẫn điện và dẫn nhiệt cũng có thể giải thích tương tự Còn tính dẻo có thể giảithích dựa vào liên kết kim loại

1.3 Phân loại kim loại: trong thực tế tồn tại rất nhiều phương pháp phân loại kim loại,

dưới đây là một số phương pháp thường được áp dụng

a Theo khối lượng riêng: được chia thành kim loại nặng và kim loại nhẹ:

° Kim loại nặng là các kim loại có khối lượng riêng > 5 g/cm3

° Kim loại nhẹ là các kim loại có khối lượng riêng < 5 g/cm3

b Theo nhiệt độ nóng chảy: được chia thành 2 nhóm.

° Kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao:

° Kim loại có nhiệt độ thấp:

c Theo tính chất hoạt động:

° Kim loại kiềm: Natri; Kali; Liti…

° Kim loại chuyển tiếp: Sắt; Vanadi; Crôm; Mangan…

2) Cấu tạo của kim loại:

2.1 Cấu tạo nguyên tử của kim loại: Vật chất do các nguyên tử tạo thành, mổi vật chất là

một hệ thống phứt tạp gồm:

- Hạt nhân (+): ở giữa có Prôton và Nơtron mang điện tích dương

- Các hạt điện tử mang điện tích âm quay chung quanh hạt nhân

* Liên kết kim loại:

Số electron hóa trị ở lớp ngoài cùng rất ít, chỉ có từ 1 đến 2 electron nên dễ bứt đi tạothành tự do, còn nguyên tử trở thành Ion dương Hoạt động của electron tự do quyết định

nhiều đến tính chất đăc trưng của kim loại như: tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, ánhkim…

Trong kim loại có vô số nguyên tử nên có vô số điện tử tự do, nên nó có sự trao đổi vềlực hút giữa nguyên tử này vứi nguyên tử khác làm cho kim loại có tính liên kết tạo nên độdẻo cao

2.2 Mạng tinh thể của kim loại:

a Định nghĩa: mạng tinh thể là mô hình không gian mô tả quy luật hình học của sự sắp

xếp các chất điểm trong vật tinh thể Và mạng tinh thể có 3 phần:

Hình 1-3

- Mặt tinh thể : là mặt chứa các chất điểm, mặt này luôn luôn song song và cách đều

nhau (hình 1-3a)

- Khối cơ bản : là những hình khối đơn giản nếu xếp liên tiếp theo không gian 3

chiều, nó có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể (hình 1-3b)

Kiểu mạng này nếu xét trên một ô cơ bản nguyên tử thì

gồm có 8 nguyên tử nằm ở 8 đỉnh của hình lập phương và

1 nguyên tử nằm ở giữa

Ký hiệu:

Các kim loại có kiểu mạng này: Fe-α, Crôm (Cr),

Vônfram (W), Môlipden (Mo), Vanadi (V)… và thường ở

các kim loại kiềm

• Mạng lục phương dày đặt:

a

* Quy tắt: khối tinh thể nào có nhiều nguyên tử thì khối ấy có độ bền cao

3) Tính thù hình của kim loại: là khả năng kim loại có thể thay đổi được kiểu mạng tinh

thể khi điều kiện ngoài thay đổi (áp suất, nhiệt độ…) gọi là tính thù hình Nghĩa là dạng ô

cơ bản thay đổi hoặc thong số mạng có giá trị thay đổi

- Kim loại có tính thù hình gồm: Sắt, Thiết (Sn), Ti, Co

- Al, Cu: không có tính thù hình

nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt đáy và 3 nguyên tử nằm ở trung

tâm của khối lăng trụ cách đều nhau

Các kim loại có kiểu mạng này gồm: Beri (Be), Magiê (Mg)

Kẽm (Zn), Titan (Ti), Coban (Co)…

Ví dụ: Xét sự thay đổi của nguyên tố

sắt Theo sơ đồ biểu diễn cho ta thấy

với mổi thang nhiệt độ, sắ có sư thay

đổi không chỉ về cấu tạo (ô cơ bản)

II/ Hợp kim:

1) Khái niệm: hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố, có thể chứa cả kim loại và phi

kim nhưng chủ yếu là kim loại Hợp kim cũng có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt, dẻo… Hợpkim được tạo ra bằng phương pháp nấu chảy là chủ yếu và còn được tạo bởi phương phápluyện tinh bột

Các hợp kim thường gặp là: thép, gang, đồng thau, đồng thanh…

- Thép, gang: là hợp kim của sắt – cacbon (Fe-C) và một số nguyên tố khác

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

Thành phần nguyên tố trong hợp kim được biểu thị theo phần trăm khối lượng của mỗinguyên tố Tổng các thành phần trong hợp kim luôn bằng 100% Đôi khi người ta còndung tỉ lệ phần trăm nguyên tử

2) Cấu tạo của hợp kim: giống như kim loại, hợp kim cũng có cấu tạo tinh thể Hợp kim

thường được cấu tạo từ các loại tinh thể sau:

Hình 1-4: Hỗn hợp cơ học (a) và dung dịch rắn (b)

2.1 Tinh thể hỗn hợp: gồm những tinh thể của các đơn chất trong hỗn hợp ban đầu, khi

nóng chảy chúng không hòa tan vào nhau

Khi hai nguyên tố không có khả năng hòa tan vào nhau và không liên kết được với nhauthì khi đông đặc nguyên tử của cùng một nguyên tố liên kết với nhau tạo thành mạng tinhthể của nguyên tố đó đồng thời tạo thành hỗn hợp của hai hay nhiều nguyên tố

2.2 Tinh thể của dung dịch rắn: là những tinh thể được tạo ra sau khi nóng chảy, các đơn

chất trong hỗn hợp tan vào nhau

Nói cách khác: các pha tinh thể (có thành phần thay đổi) trong đó, các nguyên tử của

nguyên tố thứ nhất (A) vẫn được giữ nguyên kiểu mạng khi nguyên tố thứ hai (B) đượcphân bố vào mạng của (A) thay thế hoặc xen kẽ

a Dung dịch đặc thay thế: là nguyên tử của nguyên tố hào tan (B) thay thế nguyên tử của

nguyên tố dung môi (A) thì ta có dung dịch đặc thay thế

Ví dụ: Cu + Ni: một số nguyên tử Ni sẽ đẩy một số nguyên tử của nguyên tố Cu ra khỏi

nút mạng và thay thế vào đó

b Dung dịch xen kẽ: các nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) nằm ở các lỗ hổng trong

mạng tinh thể của nguyên tố dung môi (A)

Ví dụ: Ôxi, cacbon có thể xen ké vào trong nút mạng của nguyên tố sắt.

2.3 Tinh thể của hợp chất hóa học: là các tinh thể được tạo ra khi nung nóng chảy các

đơn chất trong hỗn hợp Tỉ lệ nguyên tử của các nguyên tố luôn tuân theo quy tắc hóa trị

3) Tính chất của hợp kim:

Trong kỹ thuật, đặc biệt là trong chế tạo cơ khí người ta không dùng kim loạinguyên chất mà người ta dùng tổ hợp của kim loại và các chất khác Tổ hợp các chất nàybằng cách nấu chảy rồi pha trộn với nhau theo tỉ lệ đã định, sau đó đem đúc thành sảnphẩm Tổ hợp đó gọi là hợp kim Hợp kim có tính chất khác hẳn mà kim loại nguyên chấtkhông thể có được

3.1 Hợp kim có cơ tính cao hơn kim loại nguyên chất: Vật liệu dung để chế tạo cơ khí

đòi hỏi phải có cơ tính cao, về phương diện này hợp kim hơn hẳn kim loại nguyên chất.Kim loại nguyên chất có độ bền, độ cứng thấp, không thích hợp để chế tạo các chi tiếtmáy Còn hợp kim nói chung có độ bền, độ cứng cao hơn, nên chi tiết làm ra chịu tải caohơn, ít bị mài mòn và có thời gian sử dụng dài hơn Tính dẻo, dai của hợp kim tuy thấphơn so với kim loại nguyên chất nhưng vẫn nằm trong giới hạn thỏa mãn các yêu cầu củachế tạo cơ khí Đặc biệt một số hợp kim có những tính chất quý như: độ bền rất cao, tínhcứng nóng cao, chống ăn mòn tốt, chịu ma sát tốt …

3.2 Hợp kim có tính công nghệ tốt: Một vật liệu chỉ có cơ tính tốt thì vẫn chưa đủ, mà để

chế tạo thành một chi tiết mày, bộ phận máy, còn phải có tính công nghệ tốt Kim loạinguyên chất có tính dẻo cao nên dể biến dạng dẻo (kéo sợi, cán thành tấm, thánh lá…)nhưng có tính đúc và tính gia công cắt gọt kém Tùy theo thành phần các hợp kim khácnhau có thể có tính đúc tốt, tính gia công cắt gọt cao và có khả năng hóa bền bằng nhiệt

luyện… Hợp kim có tính công nghệ tốt là hợp kim phải: dễ đúc, dễ gia công áp lực, dễhàn, dễ gia công cắt gọt…

3.3 Tính kinh tế: Về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo hợp kim thông thường dễ hơn chế

tạo kim loại nguyên chất Với kỹ thuật hiện đại, việc luyện kim loại nguyên chất vẫn còngặp rất nhiều khó khăn do phải khử bỏ triệt để các tạp chất Vì vậy sử dụng hợp kim trongchế tạo máy có tính kinh tế cao hơn

Bài 3: TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

I/ Tính chất vật lý (lý tính): là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng

vật lý khi thành phần hóa học của kim loại đó không thay đổi Lý tính bao gồm:

1) Khối lượng riêng: là khối lượng của một m3 vật chất chứa trong một đơn vị thể tích củavật thể

γ = m v (kg/m3)Trong đó: m: khối lượng riêng của vật chất (kg)

V: thể tích của vật chất (m3)

Ứng dụng của khối lượng riêng rất rộng rãi trong kỹ thuật Như với những chi tiết rất

có thể tính ra thể tích nên có thể không cần cân

2) Trọng lượng riêng: là trọng lượng của một đơn vị thể tích của vật thể.

d =P v (N/mm3)Trong đó: P: trọng lượng của vật (N)

4) Tính dãn nở: là khả năng dãn nở của kim loại khi nung nóng Độ dãn nở lớn hay bé

được biểu thị bằng hệ số dãn nở trên chiều dài của một đơn vị (1mm) còn được gọ là hệ sốdãn nở theo chiều dài

Ví dụ: sắt có hệ số dãn nở là: 0,0000118 ; thép: 0,0000120

5) Tính dẫn điện, dẫn nhiệt và từ tính:

- Tính dẫn điện: là khả năng truyền dòng điện của kim loại và hợp kim Kim loại và hợp

kim đều là vật dẫn điện tốt, nhất là bạc, sau đó đến đồng, nhôm Nhưng do bạc đắt tiền nên

ít được sử dụng mà người ta thường dùng đồng và bạc để làm vật dẫn điện Hợp kim có hệ

số dẫn điện kém hơn kim loại

- Tính dẫn nhiệt: là khả năng dẫn nhiệt của kim loại và hợp kim Độ dẫn nhiệt của hợp

kim và kim loại không giống nhau Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt của bạc là 1 thì đồng là 0,9;nhôm là 0,5; và sắt là 0,15

- Từ tính: là khả năng dẫn từ của kim loại và hợp kim Sắt, Niken, Coaban và hợp kim của

chúng đều có từ tính

6) Vẽ sáng mặt ngoài: được chia làm 2 loại

- Kim loại đen: Sắt và hợp kim của sắt-cacbon (Fe_C) như: gang, thép.

- Kim loại màu và hợp kim màu: là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại.

Mỗi kim loại phản chiếu ánh sáng một màu sắc riêng ta gọi là màu của kim loại

Ví dụ: Đồng có màu đỏ; Thiếc có màu sáng bạc; Kẽm có màu xám

II/ Tính chất hóa học: (hóa tính):

1) Khái niệm: là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụng của hóa học của

môi trường chung quanh mà không bị phá hủy Hầu hết kim loại và hợp kim đều bị tácdụng hóa học của môi trường chung quanh

2) Các đặc trưng của tính chất hóa học:

2.1 Tính chịu ăn mòn: là độ bền của kim loại và hợp kim đối với sự ăn mòn của môi

trường chung quanh

2.2 Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại và hợp kim với sự ăn mòn của ôxi trong

không khí ở nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng và thể khí ởnhiệt độ cao

2.3 Tính chịu axit: là độ bền của kim loại và hợp kim đối với sự ăn mòn của axit.

III/ Tính công nghệ:

1) Khái niệm: tính công nghệ của kim loại và hợp kim là khả năng chịu các dạng gia công

khác nhau

2) Các đặc trưng của tính công nghệ:

2.1 Tính đúc: được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co và tính thiên tích Độ chảy loãng

biểu thi khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim, độ chảy loãng cang cao thì tínhđúc càng tốt Độ co càng lớn thì tính đúc càng kém

2.2 Tính rèn: là khả năng biến dang vĩnh cửu của kim loại và hợp kim khi chịu tác dụng

cảu ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiết mà không bị phá hủy

+ Gang không có tính rèn vì giòn

+ Đồng và chì có tính rèn ngay cả khi ở trạng thái nguội

2.3 Tính hàn: là khả năng tạo thành sự lien kết giữa các phần tử hàn khi được nung nóng

toàn bộ chổ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo

2.4 Tính cắt gọt: khả năng cắt gọt dễ hay khó của kim loại và hợp kim được xác định bởi

tốc độ cắt, lực cắt, độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt

2.5 Tính nhiệt luyện: là khả năng thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo của kim loại bằng

cách nung nóng đến một nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt độ đó một thời gian rồi làm nguộitheo một chế độ nhất định Tính nhiệt luyện của mỗi kim loại khac nhau, có kim loại hầunhư không thay đổi, có kim loại thay đổi rất ít, có kim loại thay đổi rất nhiều sau khi nhiệtluyện

IV/ Tính chất cơ học (cơ tính): là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại

hay hợp kim chống lại tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy Nói cách khác, cáctính chất cơ học cho biết khả năng chịu tải của vật liệu trong từng điều kiện cụ thể, là cở sở

để tính toán độ bền khi sử dụng và khi so sánh các vật liệu với nhau

1) Độ dẻo: là khả năng thay đổi được hình dạng của kim loại và hợp kim mà không bị phá

hủy bởi tác dụng của ngoại lực

2) Độ bền: là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự phá hủy khi có tác dụng của

ngoại lực

3) Độ cứng: là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ của bề

mặt vật thể dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài tại chổ ta ấn vào đó một vật cứng hơn

4) Độ đàn hồi: là khả năng trở lại hình dạng ban đầu sau khi ta bỏ tác dụng của ngoại lực

lên kim loại và hợp kim

V/ Hiện tượng biến cứng bề mặt của vật liệu: là hiện tượng mà bề mặt của chi tiết có độ

cứng cao hơn so với bên trong

- Do trong quá trình nấu luyện hợp kim, lượng tạp chất trong thép hoặc gang không đúng

tỷ lệ nhất định gây nên biến thiên thể tích trong vật liệu làm xuất hiện ứng suất dư

2) Hậu quả của biến cứng bề mặt vật liệu;

- Gây khó khăn cho quá trình cắt gọt kim loại

- Làm vở, mẻ dụng cụ cắt; gây rung động hề thống công nghệ làm cho độ bền của máy

và dụng cụ cắt giảm

3) Biện pháp ngăn ngừa và khắc phục:

- Ngăn ngừa: thực hiện đúng quy trình công nghệ khi hàn hoặc rèn

- Khắc phục: nếu kim loại hay hợp kim bi biến cứng bề mặt, cần phải tiến hành thườnghóa hoặc ủ trước khi gia công cắt gọt

Ví dụ: Gang sau khi đúc bị biến cứng bề mặt Ta tiến hành ủ như sau:

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I

Câu 1: Hãy cho biết tầm quan trọng của kim loại và hợp kim đối với xã hội loại người Câu 2: Hãy nêu khái niệm của kim loại? Hãy phân loại kim loại và cho biết thế nào làmạng tinh thể và các mạng tịnh thể thường gặp?

Câu 3: Hãy nêu khái niệm, tính chất và cấu tạo của hợp kim?

Câu 4: Hãy so sánh tính chất giữa kim loại và hợp kim?

Câu 5: Cho biết nguyên nhân, hậu quả và cách khắc phục hiện tượng biến cứng bề mạtkim loại và hợp kim?

I/ Khái niệm về giản đồ trạng thái sắt – cacbon (Fe-C):

1) Định nghĩa:

Là biểu đồ chỉ rỏ sự phụ thuộc của tổ chức hợp kim Fe-C mà cụ thể là gang và thépvào thành phần hóa học và nhiệt độ

2) Ý nghĩa của giản đồ trạng thái Fe-C:

- Biết được quy luật về sự kết tinh và chuyển biến tổ chức của hợp kim Fe-C khi nungnóng và làm nguội

- Xác định được nhiệt độ nung nóng cho từng loại thép khi rèn, dập và nhiệt luyện kimloại và hợp kim

- Và là giản đồ không thể thiếu đối với những người làm công tác nhiệt luyện

3) Đặc điểm của Fe-C:

+ Mạng lập phương diện tâm: tồn tại ở 991oC  1392oC (Feγ)

3.2 Cacbon: Cácbon là nguyên tố á kim thuộc nhóm IV của hệ thống tuần hoàn Nó tồn

tại dưới các dạng sau:

- Vô định hình như: than gỗ, than đá.

- Kim cương với kiểu mạng kim cương rất cứng Đó là dạng thù hình không ổn

định Ở nhiệt độ và áp suất cao kim cương trở lên ổn định,

- Graphit với kiểu mạng lục giác xếp theo lớp Khoảng cách giữa các lớp khá xa nên

lực liên kết giữa chúng yếu và rất dễ tách lớp Graphit rất mềm

II/ Dạng giản đồ:

Hình 2-1: Giản đồ trạng thái sắt – cacbon

1) Các nhiệt độ trên giản đồ:

(700HB)

16000C đến 11470C vớit tinh thể thớ to Xêmentit thứ nhất chỉ được tạo thành khi %C >4,3%

+ Xêmentit II: kết tinh từ pha rắn

Được tạo thành từ dung dịch rắn Austenit theo đường ES trong khoảng nhiệt độ từ

XeIII được tạo thành rất ít với lượng nhỏ nên có thể bỏ qua.

2.2 Ferit (F): Là dung dịch rắn xen kẽ của Cacbon trong Fea, có mạng lập phương thể

tâm trên giản đồ trạng thái Ferit có ở vùng GPQ Độ hoà tan của Cacbon trong Fea rất

nhỏ: ở 7270C là 0,02%, còn ở 00C là 0,006% Bởi vậy có thể coi Ferit là sắt nguyên chất

Ferit là pha dẻo và dai

2.3 Austenit: (cũng được gọi là Ôstenit (Ô))

+ Là dung dịch rắn xen kẽ của Cacbon trong Fe, có dạng lập phương diện tâm Độ hoàtan của Cacbon trong Fe ở 11470C là 2,14% và ở 7270C là 0,8%

+ Austenit là pha dẻo dai song nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 7270C

+ Tổ chức Austenit là các hạt sáng đa cạnh có song tinh (thỉnh thoảng có hai đường

song song cắt ngang hạt) Rất ít khi quan sát được tổ chức này vì nó ở nhiệt độ cao Chỉ

khi lượng Mn hoặc Ni lớn mới làm Austenit tồn tại ở nhiệt độ thường

2.4 Peclit (P):

+ Là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit và Xêmentit (F +Xe) Khi thành phần hoá học

của Austenit là 0,8%C sẽ xảy ra chuyển biến cùng tích ở 7270C:

Fe(C)0,8 [F +Xe]

Austenit Peclit

+ Gồm Peclit tấm và Peclit hạt

+ Peclit tấm là tổ chức có Xêmentit ở dạng tấm Khi quan sát tổ chức tế vi sẽ thấy các

Trong Peclit: F có 88% và Xê có 12%, có tính cắt gọt tốt P có 2 loại:

+ P dạng tấm: Xê ở dạng tấm, phiến, HB = 200 ÷ 220

+ P dạng hạt: Xê ở dạng hạt có HB = 180 ÷ 200

2.5 Lêđêburit (Lê): là hỗn hợp cơ học cùng tinh của Ô và Xê (ở to > 727oC) hoặc hỗn hợp

cơ học của P và Xê (ở to > 727oC) Lê rất cứng

+ Khi thành phần Cacbon trong hợp kim lỏng là 4,3%C và ở 11470C thì xẩy ra chuyểnbiến cùng tinh:

L4,3 ® ( + Xe) + Tiếp tục làm nguội hợp kim xuống dưới 7270C thì có phản ứng cùng tích  chuyển

III/ Điểm tới hạn của hợp kim Fe-C:

1) Định nghĩa: Các điểm tới hạn là các nhiệt độ bắt đầu hoặc kết thúc quá trình chuyển

biến ở trạng thái rắn của hợp kim Cácbon và được ký hiệu bằng chữ A

Ở đây ta chỉ xét 3 điểm tới hạn có liên quan đến nhiệt luyện là A1, A3 và Acm

2) Các điểm tới hạn trên giản đồ:

2.1 Điểm tới hạn A 1: (to = 727oC): là điểm chuyển biến cùng tích của thép, nghĩa là:

- Khi nung nóng: P → Austenit

- Khi làm nguội: Austenit → P (F + Xê)

2.2 Điểm tới hạn A 3: (911 " 727oC): là điểm chuyển biến bắt đầu tiết ra F từ Ô khi làmnguội hoặc kết thúc sự hòa tan F vào Ô khi nung nóng

2.3 Điểm tới hạn A cm (1147 " 727oC): là điểm chuyển biến bắt đầu tiết ra Xê từ Ô khi làmnguội hoặc kết thúc sự hòa tan Xê vào Ô khi nung nóng

* Chú ý: Các nhiệt độ A1, A3, Acm trên giản đồ chỉ dùng trong điều kiện tốc độ nung nóng

và làm nguội vô cùng chậm mà trong thực tế sản xuất không thể đạt được như vậy Do đókhi nung nóng nhiệt độ chuyển biến bao giờ cũng lớn hơn và khi làm nguội bao giờ cũngthấp hơn các nhiệt độ trên giản đồ Người ta ký hiệu:

- Điểm tới hạn khi nung nóng: Ac

- Điểm tới hạn khi làm nguội: Ar.

Vì vậy: Ac1 < A1 < Ac1 ; Ar3 < A3 < Ac3 ; Arcm < Acm < Accm

+ Nhìn chung, gang là loại vật liệu có độ bền thấp, độ dòn cao.

+ Trong gang xám, gang dẻo, gang cầu, tổ chức Graphit tồn tại như những lỗ hổng cósẵn trong gang, là nơi tập trung ứng suất lớn, làm gang kém bền

Tuy nhiên, Graphit có ảnh hưởng tốt đến cơ tính như: tăng khả năng chống mài mòn do

ma sát làm tắt rung động và dao động cộng hưởng vì bản thân Graphit có tính tự bôi trơn,thêm vào đó có “lỗ hổng”, Graphit là nơi chứa dầu bôi trơn

3.2 Tính công nghệ:

+ Tính đúc tốt do có nhiệt độ nóng chảy thấp và tính chảy loãng cao

+ Tính gia công cắt gọt tốt, vì độ cứng thấp, phoi dễ gãy vụn

+ Gang không thể rèn được

4) Công dụng: nhìn chung, gang có tính tổng hợp không cao như thép, nhưng có tính đúc

tốt, dễ cắt gọt, chế tạo đơn giản hơn và rẻ Vì vậy các loại gang có Graphit dùng rất nhiềutrong chế tạo cơ khí, dùng để chế tạo các loại chi tiết chịu tải trọng tĩnh và ít chịu va đậpnhư: bệ máy, vỏ

II/ Ảnh hưởng của nguyên tố hóa học đến tính chất của gang:

1) Cacbon (C):

+ Cacbon ở dạng hợp chất hóa học Xementit thì gang đó gọi là gang trắng

+ Cacbon ở dạng Graphit thì là gang xám

+ Ngoài ra sư hình thành thành các loại gang phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc

độ làm nguội khi chế tạo

* Khi gang ở trạng thái rắn: Graphit tạo thành do ủ gang trắng

Fe3C t o ( 850u 900 )o C

?



2) Silic (Si): là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang, vì nó thúc

đẩy sự tạo thành Graphit hóa

3) Mangan (Mn): Mn trong gang thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cản Graphit

hóa

4) Phốt pho (P): là nguyên tố có hại trong gang, làm giảm độ bền, tăng độ dòn của gang,

nhưng P làm tăng tính chảy loãng của gang, thường được dùng trong việc đúc tượng, trangtrí mỹ thuật hoặc đúc những chi tiết mỏng

5) Lưu huỳnh (S): là nguyên tố có hại trong gang, làm giảm tính đúc và cơ tính của gang,

giảm độ bền và làm cho gang dòn

6) Ảnh hưởng của tốc độ nguội: tốc độ làm nguội ảnh hưởng rất lớn đến quá trình

Graphit hóa Tốc độ làm nguội càng chậm thì quá trình hình thành Graphit hóa càng thuậnlợi Tổ chức gang trong thực tế luôn thấy có thành phần cacbon tự do dưới dạng Graphit + Tốc độ nguội nhanh thì ta được gang trắng

+ Tốc độ nguội càng chậm thì ta được gang xám

III/ Các loại gang thường dùng:

1) Gang trắng: không có ký hiệu riêng.

1.1 Thành phần: Trong gang trắng không tồn tại Graphit Tổ chức hoàn toàn phù hợp với

trạng thái ổn định Fe-Xe Thành phần chứa một ít Si và các nguyên tố làm tăng khả năngGraphit hóa

+ Pha Fe3C chiếm tỷ lệ 50% trong tổ chức của gang trắng

+ C = (3,5 ÷ 4,3)%

1.2 Tính chất:

không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang thuần trắng để làm các chi tiết máy có độchính xác cao mà thường chỉ sử dụng gang trắng ở dạng vật đúc

+ Độ dẻo, độ bền thấp

+ Có khả năng chịu mài mòn tốt

b Tính kinh tế: Phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, có giá thành rẻ.

c Lý tính: Gang trắng thì mặt gãy của gang có màu trắng, do C hòa tan liên kết với Fe tạo

thành Xe

3) Công dụng: hầu hết gang trắng dùng để làm nguyên liệu luyện thép Do gang trắng rất

cứng và có tính chống mài mòn tốt nên thường được dùng làm các chi tiết yêu cầu độ cứng

cao ở bề mặt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn như: bi nghiền, bề mặt trục cán, méplưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lu, vành ngoài bánh xe lửa

* Chú ý: không làm toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, vì như vậy sẽ dễ bị gãy, vỡ mà chỉ

tạo cho lớp bề mặt là gang trắng, còn lõi vẫn là gang Graphit Muốn cho bề mặt bị biếnthành gang trắng người ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc

2) Gang xám:

2.1 Tổ chức tế vi:

* Graphit tấm và nền kim loại : Tuỳ thuộc vào lượng Xementit nhiều hay ít mà phần tổ

chức chứa Xementit có khác nhau

` - Ferit khi không có Xementit (Fe3C);

- Ferit + Feclit khi có ít Fe3C (khoảng 0,1 - 0,6%);

- Peclit khi có khá nhiều Fe3C (khoảng 0,6 – 0,8%)

Þ Phần tổ chức có chứa Ferit, Ferit + Peclit hoặc Peclit gọi là nền kim loại

2.2 Các loại gang xám:

- Gang xám Ferit – có tổ chức tế vi là grafit tấm phân bố trên nền Ferit;

- Gang xám Peclit – có tổ chức tế vi gồm grafit tấm phân bố trên nền kim loại Ferit +Peclit, lượng Fe3C (khoảng 0,1 - 0,6%);

- Gang xám Peclít – có tổ chức tế vi gồm grafit tấm phân bố trên nền kim loại Peclit,lượng Fe3C (khoảng 0,6 – 0,8%)

- Hàm lượng khống chế trong khoảng 1,5  3%

+ Mangan : Là nguyên tố cản trở sự tạo thành grafit;

- Làm tăng độ cứng, độ bền của gang;

Gang xám cũng như các loại gang Graphit

khác, có tổ chức tế vi chia làm hai phần rỏ

rệt: nền kim loại và Graphit (với gang xám:

tổ chức tế vi = nền kim loại + Graphit tấm)

- Hàm lượng khống chế trong khoảng 0,5  1,0%.

+ Lưu huỳnh: Là nguyên tố cản trở mạnh sự tạo thành grafit;

- Làm xấu tính đúc, giảm độ chảy loãng;

- Là nguyên tố có hại, lượng S khống chế trong khoảng 0,06  0.12%

Ngoài ra còn có một số nguyên tố khác như Cr, Ni, Mo,…có tác dụng riêng

2.4 Cơ tính, các yếu tố ảnh hưởng và những biện pháp nâng cao cơ tính:

b, Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính

Grafit : Số lượng, độ lớn, hình dạng và sự phân bố của grafit.

Nền kim loại: Nền kim loại có cơ tính cao thì gang xám cũng có cơ tính cao;

c, Các biện pháp nâng cao cơ tính

- Giảm lượng cacbon của gang (2,2  2,5%);

- Làm nhỏ mịn grafit bằng phương pháp biến tính;

- Hợp kim hoá;

- Nhiệt luyện

2.5 Ký hiệu và công dụng:

- Theo tiêu chuẩn TCVN của Việt Nam: GXxx – xx.

+ Chỉ số xx thứ nhất: chỉ giới hạn bền kéo: sk

gang xám Peclit

Độ cứng

tiết chịu tải nhẹ: vỏ hộp giảm tốc, mặt bích,

- Các mác có độ bền tương đối cao, sk = 250  300MPa

làm các chi tiết chịu tải trọng cao: bánh răng, bánh đà, thân máy quan trọng, xéc măng,

- Các mác có độ bền cao, sk ³ 300MPa

Dùng làm các chi tiết chịu trọng cao, chịu mài mòn như bánh răng chữ V, trục chính, vỏbơm thuỷ lực ,

Kết luận

- Gang xám dùng làm các chi tiết chịu nén, tránh dùng vào các bộ phận chịu kéo cao;

- Dùng làm ổ trượt vì grafit có tính bôi trơn tốt

- Gang xám biến trắng: Gang có bề mặt của chi tiết bị biến trắng, một số chi tiết cần tínhchống mài mòn ở lớp bề mặt cao như bi nghiền, trục cán, trục nghiền,

- Tổ chức tế vi của gang cầu có ba loại nền kim loại

- Tương cũng có ba loại gang cầu Ferit, gang cầu

gang cầu

+ Chất biến tính cần khống chế với lượng nhỏ: 0,04 0,08%;

+ Các nguyên tố cản trở sự cầu hoá khoảng ở mức £

3.3 Cơ tính và biện pháp nâng cao cơ tính

a Cơ tính: Gang cầu có cơ tính cao hơn gang xám nhiều;

+ Độ bền: sk = 400  1000MPa; s0,2 = 250  600MPa

+ Độ dẻo, dai: d = 5  15%; a k = 300 600 KJ/m2

+ Độ cứng khoảng 200HB

b Các biện pháp nâng cao cơ tính

- Dùng Niken để hoá bền pha Ferit;

- Tôi đẳng nhiệt để biến thành Bainit

3.4 Ký hiệu và công dụng:

- Theo tiêu chuẩn ГОСТ của Liên Xô: BЧxx – xx;

- Theo tiêu chuẩn TCVN của Việt Nam: GCxx – xx.

- Theo tiêu chuẩn ГОСТ của Liên Xô: КЧxx – xx;

- Theo tiêu chuẩn TCVN của Việt Nam: GZxx – xx.

+ КЧ30–6; КЧ33–8; КЧ35–10; КЧ37–12 Gang dẻo Ferit

+ КЧ45–7; КЧ50–5; КЧ55–4; КЧ60–3 Gang dẻo Peclit

4.6 Công dụng : Gang dẻo để chế tạo các chi tiết đòi hỏi đồng thời các tính chất sau:

I/ Khái niệm chung về thép:

1) Khái niệm về thép cacbon:

- Gang dẻo có 3 loại là:

+ Gang dẻo Ferit;

+ Gang dẻo Ferit – Peclit;

+ Gang dẻo Peclit

- Phân biệt thép Cacbon và thép hợp kim về thành phần hoá học, tổ chức tế vi, cơ tính vàcông dụng;

- Tác dụng của Cacbon và các nguyên tố đến tổ chức, cơ tính và khả năng nhiệt luyện củathép;

- Cách phân loại, ký hiệu thép của Liên Xô và Việt Nam

- Thép Cacbon thấp: C ≤ 0,25%, có độ dẻo, độ dai cao, độ bền, độ cứng thấp.

Dùng làm kết cấu xây dựng, làm lá thép, tấm để dập nguội,

- Thép Cacbon trung bình: C = 0,3  0,5%, có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá

cao

Dùng làm chi tiết máy chịu tải, va đập như: trục, bánh răng,

- Thép Cacbon tương đối cao: C = 0,55  0,65%, có độ cứng cao, giới hạn đàn hồi cao

nhất

Dùng làm các chi tiết đàn hồi: lò xo, nhíp,

- Thép Cacbon cao: C ³ 0,7%, có độ cứng và tính chống mài mòn cao nhất.

Dùng làm dụng cụ như dao cắt, khuôn rập, dụng cụ đo,

+ Ảnh hưởng của Cacbon đến cơ tính của thép.

2 FeO + Si → SiO2 + 2Fe

- Si hòa tan vào Ferit, nâng cao độ bền, cứng;

- Hàm lượng: 0,40  0,50%

3.4 Phốtpho

- P có khả năng hòa tan vào Fe tạo nên Fe3P;

- P làm giảm mạnh độ dẻo, độ dai, tăng mạnh độ giòn ở nhiệt độ thường;

- Hàm lượng: ≤ 0,05%

3.5.Lưu huỳnh

- S kết hợp với Fe tạo thành FeS;

- S không tan trong Fe, làm cho thép bị giòn;

- Hàm lượng: ≤ 0,05%

4) Phân loại thép cacbon

4.1 Theo độ sạch của tạp chất có hại

- Chất lượng thường: P, S = 0,05%: Thép cacbon

- Chất lượng tốt: P, S = 0,04%;

- Chất lượng rất cao: P, S = 0,02%.

4.2 Theo phương pháp khử Oxy

- Thép sôi: Khi đúc thép FeO + C → Fe + CO;

- Ký hiệu BCTxxy (xx- thành phần hoá học, y – cách khử oxy);

- Ký hiệu CCTxxy (xx- sb,thành phần hoá học; y – cách khử oxy);

- Quy định cả cơ tính và thành phần hóa học tương ứng theo nhóm A, B

VD: CCT38 có cơ tính như CT38 còn thành phần như BCT38

- Các mác thép: Việt Nam: CCT31  CCT51

Liên Xô: BCT1  BCT5

5.2 Nhóm thép kết cấu – thép Cacbon chất lượng tốt

5.3 Nhóm thép dụng cụ – thép Cacbon chất lượng cao

Ký hiệu: CDxxA trong đó: C – cacbon, D – dụng cụ;

xx – chỉ phần vạn cacbon trung bình; A - chất lượng cao (P, S ≤ 0,025%).

Kí hiệu của Việt Nam Kí hiệu của Liên Xô %C trung bình Chất lượng

- Có cơ tính nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng;

- Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt hơn thép hợp kim

6.2 Nhược điểm

- Độ thấm tôi thấp nên kém hiệu quả khi nhiệt luyện;

- Tính chịu nhiệt độ cao kém;

- Không có các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt như: cứng nóng, chống ăn mòn

II/ Khái niệm chung về thép hợp kim:

3.1 Về cơ tính

- Thép hợp kim có độ bền cao hơn hẳn thép cacbon sau khi tôi và ram;

- Khi mức độ hợp kim hóa tăng độ bền, độ cứng tăng nhưng đồng thời làm giảm độdẻo, độ dai, tính công nghệ

- Thép có tính giãn nở nhiệt đặc biệt

4) Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép:

Các nguyên tố Mn, Si, Ni, Cr hoà tan vào Fe:

- Làm tăng độ cứng;

- Tăng độ thấm tôi

Các nguyên tố Mn, Cr, Mo, W, Ti, kết hợp với C tạo cacbit:

- Làm thay đổi kiểu mạng;

- Làm tăng độ cứng;

- Tăng tính chống mài mòn;

- Nhiệt độ chảy không cao, nhiệt độ tôi cao Þ tính ổn định cao;

- Có tính bền nóng

5) Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tổ chức và tính chất:

5.1 Chuyển biến khi tôi:

- Làm tăng nhiệt độ tôi;

- Giảm nhiệt độ chuyển biến  → M.

VD: Cứ 1% nguyên tố hợp kim làm giảm điểm Ms:

Mn – 45o; Cr – 35o; Ni – 26o; Mo – 25o

5.2 Chuyển biến khi ram

- Làm tăng nhiệt độ chuyển biến;

- Thép Ferit: có Cr (>17%) và rất ít cacbon – thuần Ferit;

- Thép Austenit: - thuần Austenit

+ Loại có Mn (>13%);

+ Loại có Cr (>17%) và Ni(>8%)

* Theo tổ chức thường hoá

- Thép họ Peclit - loại thép hợp kim thấp;

- Thép họ Mactenxit - loại hợp kim hoá trung bình và cao;

- Thép họ Austenit - loại thép hợp kim cao (Mn>13%).

* Theo nguyên tố hợp kim

- Thép chỉ có một nguyên tố hợp kim chính

- Thiên tích;

- Đốm trắng (thép cán);

- Giòn ram;