Vê duû : khi thç cáön coï tênh dáùn âiãûn ráøt cao âãø duìng trong ngaình âiãûn læûc, luïc laûi yãu cáöu coï âäü cæïng låïn âãø laìm caïc loaûi duûng cuû càõt goüt kim loaûi, khi laûi cá[r]
Trang 1Giáo trình vật liệu
học
Vật lý kim loại và hợp
kim
Trang 2MỞ ĐẦU
Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng càng ngày càng cao hơn Đầu tiên là thời kỳ đồ đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt.v v Cho đến ngày nay là một loạt các loại vật liệu mới như : composit, ceramit, pôlyme v.v Các loại vật liệu này (đặc biệt là kim loại & hợp kim, cùng với các loại vật liệu mới) đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hộ loài người một cách nhanh chóng
Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời sống đòi hỏi vật liệu sử dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau Ví dụ : khi thì cần có tính dẫn điện rẩt cao để dùng trong ngành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để làm các loại dụng cụ cắt gọt kim loại, khi lại cần có độ bền lớn để làm các cấu kiện xây dựng, hoặc phải có tính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nhưng khối lượng riêng nhỏ để dùng trong công nghiệp hàng không Tất cả các yêu cầu này đều có thể được đáp ứng bởi vật liệu kim loại 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 gồm mười một loại vật liệu sau đây tạo nên :
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 người kỹ sư các ngành cơ khí 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 phẩm
Môn học này kế thừa kiến thức của khá nhiều các lĩnh vực khác nhau : tinh thể học,
cơ lượng tử, vật lý tia rơn ghen, ăn mòn và bảo vệ kim loại do đó khối lượng kiến thức khá lớn và có nhiều mặt Vì vậy đòi hỏi người học phải nắm vững các kiến thức cơ bản về vật liệu và thực hành nghiêm túc các thí nghiệm Khi nghiên cứu môn học này phải nắm chắc mối quan hệ giữa thành phần hóa học, cấu trúc và tính chất của vật liệu Bất kỳ sự thay đổi nào của thành phần hóa học và cấu trúc sẽ dẫn tới sự biến đổi của tính chất vật liệu
1
Trang 3CHƯƠNG 1 : CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học của Menđêlêep , hiện tại có hơn
100 nguyên tố thì các nguyên tố kim loại chiếm hơn 3/4 Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu cấu trúc của mạng tinh thể , sự sắp xếp của các nguyên tử và mật độ của chúng cũng như khoảng cách giữa các mặt tinh thể
1.1.CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ LÝ TƯỞNG CỦA KIM LOẠI NGUYÊN CHẤT :
1.1.1 Khái niệm và đặc điểm của kim loại :
1- Định nghĩa : Kim loại là vật thể sáng , dẻo , có thể rèn được , có tính dẫn điện
và dẫn nhiệt cao
Bất cứ kim loại nào bề mặt chưa bị ô xy hoá đều có vẻ lấp lánh sángì ta thường gọi là ánh kim Hầu hết các kim loại đều dẻo , có thể kéo sợi , dát mỏng dễ dàng , dẫn điện và dẫn nhiệt tốt Tuy vậy không phải tất cả các kim loại đều thoả mãn những tính chất trên Ví dụ : stibi (Sb) rất dòn không thể rèn được , pradeodim (Pr) dẫn điện rất kém Tiêu chuẩn để phân biệt kim loại và phi kim là hệ số nhiệt độ của điện trở Kim loại có hệ số nhiệt độ của điện trở dương (khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng) còn với phi kim loại thì hệ số này âm (khi nhiệt độ tăng điện trở giảm)
t0C
t0C
Hình 1.1- Hệ số nhiệt độ của điện trở.
Ta có thể giải thích các đặc điểm của kim loại dựa vào lý thuyết cổ điển về cấu tạo nguyên tử Kim loại có ánh kim là do khi có ánh sáng chiếu vào thì điện tử sẽ hấp thụ năng lượng Do đó nó có năng lượng cao hơn, bị kích thích và nhảy lên phân 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 cũ Khi đó chúng thải bớt phần năng lượng dưới dạng bức xạ và làm cho kim loại có vẻ lấp lánh sáng Tính dẫn điện và dẫn nhiệt cũng có thể giải thích tương tự Còn tính dẻo có thể giải thích dựa vào liên kết kim loại
2 Phân loại kim loại :
Trong thực tế tồn tại nhiều phương pháp phân loại kim loại, đây là một trong những những phương pháp thường sử dụng nhất
a- Theo khối lượüng riêng: kim loại được chia làm hai nhóm : kim loại nhẹ và kim loại nặng
Trang 4Kim loại nặng là các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm Ví dụ như sắt (b = 7,8) , vàng (b = 19,5) , thủy ngân (b = 13,1)
Kim loại nhẹ là các kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn 5 g/cm3 Ví dụ như nhôm (b = 2,7) , ti tan (b = 4,5) , man gan (b = 1,73 )
b - Theo nhiệt độ nóng chảy : kim loại được chia làm hai nhóm
Kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao : sắt (1539oC) , vonphram (3410oC) , titan (1668oC), đồng (1085oC)
Kim loại có nhiệt độ nòng chảy thấp : chì (327oC) , nhôm ( 657oC) , stibi (631oC)
c - Theo tính chất hoạt động :
Kim loại kiềm : natri ,kali, liti
Kim loại chuyển tiếp : sắt , crôm ,mangan ,vanadi
1.1.2 Liên kết kim loại :
Trong kim loại phần lớn các
nguyên tử nhường bớt điện tử để trở thành
ion dương còn các điện tử trở thành điện
tử tự do Các điện tử này không bị chi
phối bởi một nguyên tử nào cả Giữa các
ion dương với nhau và các điện tử với
nhau sẽ tồn tại lực đẩy , giữa ion và điện
tử sinh ra lưc hút Sự cân bằng giữa các
lực này là cơ sở của liên kết kim loại Đây
là dạng liên kết quan trọng của kim loại,
nhờ mối liên kết này mà kim loại có tính
dẻo rất cao
-Hình 1.2- Liên kết kim loại.
1.1.3 Các tính chất của kim loại :
Trong phần này ta chỉ nghiên cứu các tính chất được sử dụng trong cơ khí là chủ yếu Ngoài ra còn xem xét thêm một vài tính chất khác
1-Cơ tính : Nhiều kim loại có cơ tính tổng hợp tốt thỏa mãn các yêu cầu chế tạo
trong cơ khí Nhưng trong thực tế hầu như không sử dụng kim loại nguyên chất mà chủ yếu là dùng hợp kim Cơ tính của kim loại và hợp kim được đánh giá bằng những chỉ tiêu sau đây :
*Độ bền tĩnh : xác định bằng giới hạn bềnV b ,giới hạn chảyVc và giới hạn đàn hồi
Vđh Đơn vị đo theo hệ SI là N/m2, nhưng đơn vị này quá nhỏ nên thường dùng MN/m2 hay MPa (trong thực tế hay dùng KG/mm2)
*Độ cứng : được xác định bằng các loại độ cứng Brinen (HB), Rockwell (HRA,HRB,HRC) và Vicker (HV)
*Độ dẻo : xác định bằng độ dãn dài tương đốiG % và độ thắt tỷ đối < %
*Độ dai : xác định bằng công phá hủy một đơn vị tiết diện mẫu , thường ký hiệu ak, đơn
vị đo kj/m2
3
Trang 6MỤC LỤC
1.4.Giản đồ pha của hợp kim hai cấu tử 30
Chương 2 : Biến dạng dẻo và cơ tính 47
2.2.Các đặc trưng cơ tính 61
2.3.Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo 70
Chương 3 : Ăn mòn và bảo vệ vật liệu 73
3.5.Sự thoái hoá của vật liệu pôlyme 86
Chương 4 : Nhiệt luyện thép 87
4.1.Khái niệm về nhiệt luyện thép 87
05
16
hương 7 : Khái niệm chung về thép 131
7.2.Khái niệm về thép hợp kim 135
8.1.Khái niệm chung về thép kết cấu 143
Trang
Chương 1: Cấu tạo của kim loại và hợp kim 2
1.1.Cấu tạo mạng tinh thể lý tưởng của kim loại nguyên chất 2
1.2.Cấu tạo của kim loại lỏng và điều kiện kết tinh 15
2.1.Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo 47
4.2.Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội thép 89
4.6.Các dạng hỏng xảy ra khi nhiệt luyện thép 114
Chương 5 : Các phương pháp hoá bền bề mặt 116
C
193
Trang 78.2.Thép thấm các bon 144
8.3.Thép hoá tốt 146
8.4.Thép đàn hồi 148
8.5.Thép có công dụng riêng 149
8.6.Thép có công dụng đặc biệt 151
9.1.Thép và hợp kim làm dụng cụ cắt 154
9.2.Thép làm dụng cụ biến dạng nguội 159
9.3.Thép làm dụng cụ biến dạng nóng 160
9.4.Thép làm dụng cụ đo 161
hương 10 :Kim loại và hợp kim màu 163
10.1.Nhôm và hợp kim nhôm 163
hương 11: Các vật liệu khác 174
11.2.Vật liệu ceramic 178
11.3.Vật liệu polyme 179
2
11.6.Xi măng và bê tông 190
C
C
C
Trang 8TÀI LIỆU THAM KHẢO
1-Vật liệu học - Lê Công Dưỡng - NXB Khoa học và kỹ thuật- 1997
2-Kim loại học và nhiệt luyện - Nghiêm Hùng - NXB Đại học và THCN - 1979
3-Giáo trình vật liệu học - Nghiêm Hùng -Trường đạ
4-Kim loại học và nhiệt luyện - Trường đại học Bách k
i học Bách khoa Hà nội - 1999 hoa Hà Nội - 1988
5-Sách tra cứu thép gang thông dụng - Nghiêm Hùng - Trường đại học bách khoa Hà nội - 1997
6-Sử dụng vật liệu phi kim loại trong ngành cơ khí - Hoàng Trọng Bá - NXB Khoa học và kỹ thuật - TP Hồ Chí Minh - 1995
7-Vật liệu compozit - Trần Ích Thịnh - NXB Giáo dục - Hà nội - 1994
8-Vật liệu composite cơ học và công nghệ - Nguyễn Hoa Thịnh - Nguyễn Đình Đức - NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội - 2002
9-Ăn mòn và bảo vệ kim loại - W.A.Schultze - Phan Lương Cầm - Trường đại học Bách khoa Hà Nội - 1985
10-Ceramic - And Carbon - Matrix composites - Acadeician V.I Trefelov -Institute for Problems of Materials Science - Kiev - 1995
11Des matériaux (Deuxième édition revue et augmentée) Jean Marie DORLOT, Jean -Paul BAILON, Jacques MASOUNAVE Éditions de L'école Polytechnique de Montréal
- 1985
12-Technique de l'ingénieur traité matériaux métalliques - Centre Francais d'exploitation
13-Metallovedenie i termiteskaia abrbotka metallov - I.M Lakhtin - Maxcva - 1979 14- Element of X - ray crystallography - Azaroff L.V - Megraw - Hill Book Co Newyor - 1968
15- Génie des matériaux - Jean Bernard Guillot- École centrale Paris - 2000-2001
16-Introduction à la science des matériaux - Jean-P.Mercier, Gérald Zambelli, Wìlfred Kurz - 1999 (Presses Polytchniques et Universitair Romands)
17- Génie des matériaux (Travaux dirigés) - Jean Bernard Guillot - 1999-2000 - Écle centrale Paris
18- Matériaux composites - Cour et complément -Philipe Bompard 1993-1994 - École centrale Paris
19- Materialovedenie - I.M.Lakhtin - Maxcva - 1977
195