Bài giảng Cơ khí đại cương: Chương 2 - ĐH Bách Khoa Hà Nội

Bài giảng Cơ khí đại cương - Chương 2: Vật liệu dùng trong công nghiệp. Chương này gồm có những nội dung chính sau: Kim loại và hợp kim, cấu tạo và sự kết tinh của kim loại,... Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.

CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG

Chương II VẬT LIỆU DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

KHÁI NIỆM CHUNG

Kính chắn

Mặt đèn hậu Nhựa

-Dây tóc bóng đèn - Vonfram

Ống xả - Thép không gỉ Lốp xe – Cao su

Dầm xe - Thép Vành xe – Thép

hoặc Hợp kim Nhôm

Vỏ xe – Thép tấm hoặc Nhựa tổng hợp

Ghế ngồi Nhựa

-Hình 1: Một vài dạng vật liệu được sử dụng trong xe Ôtô –

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

Vật liệu dïng trong c«ng nghiệp gia công cơ khí

Kim loại và Hợp kim

Kim loại đen

Kim loại màu

Thép kết cấu Thép không gỉ Thép dụng cụ Gang v.v

Nhôm Đồng Titan Vonfram v.v

Nằm trong sự quan tâm chính của môn học CKĐC !

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

Ứng xử và các Tính chất của vật liệu

Cấu trúc của vật liệu

Dạng liên kết

Cấu tạo mạng tinh thể

Tổ chức Thành phần pha

Từ tính Tính chịu ăn mòn Tính chịu nhiệt Tính chịu axit

v.v

Tính đúc Tính rèn Tính hàn v.v

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

2.1.1 Cơ tính

Cơ tính là đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim

loại và hợp kim chịu tác dụng của các loại tải trọng:

( N mm 2 F

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

2.1.1 Cơ tính

B Độ cứng

- Khả năng của vật liệu chống lại

biến dạng dẻo cục bộ khi có

ngoại lực tác dụng thông qua vật

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

2.1.1 Cơ tính

C Độ giãn dài tương đối [%]

- Là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn



D Độ dai va chạm a k (J/mm 2 ) (kJ/m 2 )

- Kh ả năng chịu tải trọng tác dụng đột ngột

(tải trọng động) mà không bị phá huỷ.

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

2.1.2 Lý tính

a Kh ối lƣợng riêng (g/cm 3 )

- Là kh ối lượng của 1cm 3 vật chất.

) /

- Là nhi ệt độ nung nóng mà tại đó sẽ làm cho kim

loại chuyển từ thể rắn sang thể lỏng

Sắt nguyên chất: 0,0000118/1mm

Thép: 0,0000120/1mm Bạc: 1  Đồng: 0,9 Nhôm: 0,5 Sắt: 0,15

Bạc  Đồng Nhôm …Hợp kim

Sắt, Niken, Coban và hợp kim của chúng  Kim loại từ tính

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

2.1.3 Hoá tính

- L à độ bền của kim loại đối với những tác dụng hoá học của các

chất khác nhƣ Ôxy, Axit, v.v Mà không bị phá huỷ.

a T ính chịu ăn mòn.

- L à độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi

trường xung quanh.

b T ính chịu nhiệt

- Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của Ôxy

trong không khí ở nhiệt độ cao

c T ính chịu axít

- Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của Axít

Ví dụ nhƣ trong cắt khí Ôxy-Axêtylen

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

2.1.4 Tính công nghệ

-Là khả năng của kim loại và hợp him cho phép gia công nóng hay

gia công nguội.

T m : Nhiệt độ nóng chảy của kim loại

a T ính đúc

- Đặc trưng bởi: Độ chảy loãng, Độ co, Tính thiên tích

b T ính rèn

- Là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi

chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ.

c T ính Hàn

- Là khả năng tạo thành liên kết giữa các chi tiết bằng

phương pháp hàn

Thép có tính rèn cao (T o ) Gang không có tính rèn Đồng, Chì rèn tốt ở nhiệt độ bình thường.

Gia công nguội (Cold working) : T/T m < 0,3 Gia công trung gian (Warm working) : T/T m = 0,3 đến 0,5

Gia công nóng (Hot working) : T/Tm > 0,6

2.2 CẤU TẠO VÀ SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI

2.2.1 Cấu tạo của kim loại nguyên chất

Mét sè chi tiÕt m¸y b»ng

2.2 CẤU TẠO VÀ SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI

2.2.1 Cấu tạo của kim loại nguyên chất

Sơ đồ mạng tinh thể của KL

Ghi nhớ:

- Các nguyên tử KL phân bố theo một quy luật nhất định

- Nhiều mạng tinh thể sắp xếp thành mạng không gian

- Mỗi nút mạng đ-ợc coi là tâm của các nguyên tử

 Kim loại có cấu tạo tinh thể

¤ c¬ b¶n: lµ phÇn kh«ng gian nhá nhÊt cña m¹ng tinh thÓ

¤ c¬ b¶n cña m¹ng tinh thÓ KL

kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö

2 Lục ph-ơng dày đặc :

Ký hiệu:

Ký hiệu:

 Tuỳ theo loại ô cơ bản ng-ời ta xác định các thông số mạng

Thông số mạng là giá trị độ dài đo theo chiều cạnh của ô

 Đ ơn vị đo của thông số mạng là Angstrong (A o ): 1A o = 10 -8 cm

* Sự biển đổi mạng tinh thể của kim loại :

Khi điều kiện ngoài thay đổi (áp suất, nhiệt độ, v.v ) tổ chức kim loại sẽ thay đổi theo

Dạng ô cơ bản thay đổi Thông số mạng có giá trị thay đổi  Sự biển đổi mạng tinh thể

- Mạng lập ph-ơng: chỉ có một thông số mạng la a

- Mạng lục giác: có 2 thông số mạng là a và c

2.2 CẤU TẠO VÀ SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI

2.2.2 Sự kết tinh của kim loại

- Kim lo ại chuyển trạng thái từ Lỏng sang Rắn  Kết tinh

Rắn

S ơ đồ tổ chức thô dại của thỏi đúc

1- Hạt mịn, đều trục 2- Dạng trụ, trục vuông góc với thành khuôn

3- Tinh thể lớn, đều trục

Tổ chức xuyên tinh

Tổ chức đều trục

Làm nguội tự

thấp

Đường nguội

Quá trình kết tinh của Sắt nguyên chất

H-íng kÕt tinh

PHA là những phần tử của hợp kim có thành phần đồng nhất ở cùng một trạng thái và ngăn cách với

các pha khác bằng bề mặt phân chia (nếu ở trạng thái rắn th ỡ phải có sự động nhất về cùng một kiểu

mạng và thông số mạng)

 Một tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng gọi là hệ hợp kim

NGUYấN là một vật chất độc lập có thành phần không đổi, tạo nên các pha của hệ Trong một số tr-ờng hợp nguyên cũng là các nguyên tố hoá học hoặc là hợp chất hoá học có tính ổn định cao

2.3 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỢP KIM

1 Dung dịch đặc :

Hai hoặc nhiều nguyên tố có khả năng hoà tan vào nhau ở trạng thái đặc gọi là dung dịch đặc

Có hai loại dung dịch đặc:

- dung dịch đặc thay thế

- dung dịch đặc xen kẽ

2.3 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỢP KIM

2.3.3 CÁC TỔ CHỨC CỦA HỢP KIM

- Thay thế cỏc nguyờn tử ở nỳt mạng. - Xen kẽ vào cỏc cỏc lỗ trống giữa cỏc nỳt mạng.

B

Cấu trúc của hợp kim:

Nguyªn tö Hydro

Nguyªn tö

Titan

Nguyªn tö S¾t

Nguyªn tö S¾t Nguyªn tö Titan

Cách xây dựng Giản đồ trạng thái của hệ Hợp kim

4 Giản đồ trạng thái của hợp kim: là sự biểu diễn quá tr ỡ nh kết tinh của hệ hợp kim

ph-ơng pháp phân tích nhiệt, nghĩa là thiết lập các đ-ờng nguội

 Quá tr ỡ nh kết tinh phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của các chất tạo thành

1

1

1 1

1 1’

87%Pb 13%Sb

75%Pb 25%Sb

 Giản đồ trạng thái

chỉ rõ cả tổ chức của

hợp kim trong các điều

kiện cân bằng

 Dựa vào các đ-ờng nguội, ta xác định đ-ợc các điểm tới hạn của mỗi hợp kim

 Đ-a tất cả các điểm tới hạn lên 1 giản đồ tổng hợp, ta có giản đồ trạng thái của hệ hợp kim

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

F erit + Xê III

OSTENIT – (  )

 : Dung dịch đặc xen kẽ của C

trong Fe 

Tại 727 o C : 0,8%C Tại 1147 o C : 2,14%C

- Pha dẻo, dai, dễ biến dạng.

- Chỉ tồn tại trên 727 o C  không

quyết định tc Cơ học Chỉ có ý nghĩa

khi gia công Áp lực và Nhiệt luyện.

HỢP KIM Fe - C

FERIT – (  )

 : Dung dịch đặc xen kẽ của C

trong Fe 

Tại 727 o C hoà tan 0,02%C

Nhiệt độ hoà tan giảm  Fe nguyên

chất

- Dẻo, Mềm và Độ bền thấp

HỢP KIM Fe - C

- Tính chất cơ học phụ thuộc vào

lƣợng F và Xê và hình dạng của Xê

(Hạt, Tấm).

HỢP KIM Fe - C

PHÂN LOẠI HỢP KIM Fe - C

C = 0,8%

Thép

sau

cùng tích

C >(=) 0,8%

Gang

trước

cùng tinh

C <(=) 4,43%

Gang cùng tinh

C = 4,43%

Gang

sau

cùng tinh

C >(=) 4,43%

 Nguyên tố ảnh h-ởng lớn : Cacbon Chỉ cần thay đổi một l-ợng rất nhỏ

C, đã làm thay đổi nhiều tính chất lý, hoá của thép

- C tăng  Độ cứng và độ bền của thép tăng lên còn độ dẻo và độ dai lại giảm xuống

- Thay đổi hàm l-ợng cacbon  làm thay đổi cả tính công nghệ, tính

đúc, tính hàn và tính rèn dập

- Nguyên tố S sẽ làm cho thép bị dòn nóng (bở nóng)

- Nguyên tố P lại làm thép bị phá huỷ ở trạng thái nguội (dòn nguội)

5 Theo công dụng

 Thép cacbon thông dụng (thép th-ờng):

- Cơ tính không cao  chỉ dùng để chế tạo các chi tiết máy,

các kết cấu chịu tải nhỏ

- Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông,…

Nhóm C:

Đánh giá bằng cả

hai chỉ tiêu cơ tính

và thành phần hoá

5 Theo công dụng

 Thép cacbon thông dụng (thép th-ờng):

- Cơ tính không cao  chỉ dùng để chế tạo các chi tiết máy,

các kết cấu chịu tải nhỏ

- Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông…

Thép cacbon thông dụng đ-ợc ký hiệu bằng hai chữ CT và

Ví dụ: CT38 có giới hạn bền

 b = 38  49kG/mm 2 (380  490N/mm 2 )

 Các nhóm B và C cũng có ký hiệu trên cơ sở nhóm A nh-ng thêm vào phía tr-ớc chữ cái B hay C để phân biệt

Ví dụ: CT31  B CT31  C CT31

>> Thép sôi : thêm ký tự S vào phần cuối, ví dụ CT31 S

>> Thép nửa sôi: thêm ký tự n vào phần cuối, ví dụ: CT31 n

t-ơng tự nh- ký hiệu của Liên Xô chỉ khác ở

chỗ có thêm ch ũ cái C phía tr-ớc để phân biệt

II THẫP CÁC BON 2.2 Phân loại (tiếp theo)

 Thép cacbon dụng cụ:

- Là loại thép có hàm l-ợng cacbon cao (0,7  1,3%C),

- Cùng với C, nguyên tố Si thúc đẩy sự graphit

hoá, nghĩa là phân huỷ Fe 3 C thành Fe và

cacbon tự do khi kết tinh.

- Ng-ợc lại Mn lại cản trở sự graphit hoá nhằm

tạo ra Fe 3 C của gang trắng.

 L-ợng Si thay đổi trong gang ở giới hạn từ 1,5

 3,0 còn Mn thay đổi t-ơng ứng với Si ở giới hạn

0,5  1,0%

- Tạp chất S và P làm hại đến cơ tính của gang

Nh-ng nguyên tố P phần nào làm tăng tính chảy loãng, tăng tính chống mài mòn do đó có thể hàm l-ợng đến 0,1  0,2%P

- Cacbon càng nhiều thì khả năng graphit hoá

càng mạnh, nhiệt độ nóng chảy càng giảm 

tăng tính đúc Nh-ng tăng hàm l-ợng cacbon sẽ làm giảm độ bền, tăng dòn Vì vậy trong gang xám chẳng hạn, hàm l-ợng cacbon giới hạn từ

2,8  3,5%

III GANG

1 Phân loại theo tổ chức tế vi và hàm

l-ợng C trên giản đồ trạng thái

- Gang tr-ớc cùng tinh

có tổ chức Peclit + Lêđêbuarit (C < 4,43%)

- Gang cùng tinh:

có tổ chức Lêđêbuarit (C = 4,43%)

- Gang sau cùng tinh

có tổ chức Lêđêbuarit + Xêmentit (C > 4,43%)

2 Phân loại theo tổ chức và cấu tạo

- Gang trắng là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng liên kết Fe 3 C

- Gang xám là loại gang mà hầu hết C ở dạng graphit

GX Ferit

III GANG

 Tổ chức tế vi của gang xám gồm: nền cơ sở và các garaphit

dạng tấm

 Nền của gang xám có thể là: ferit, pherit - peclit , peclit

Cơ tính của gang xám phụ thuộc vào hai yếu tố:

 Gang xám có độ bền nén cao nh-ng bền kéo kém, chịu mài mòn

tốt, đặc biệt có tính đúc tốt

Ký hiệu Gang xám: GX xx-yy (Liên xô: Cч xx-yy)

xx = hai con số chỉ độ bền kéo

yy = hai con số chỉ độ bền uốn

* Tổ chức của nền: độ bền của nền t ă ng lên từ nền pherit đến peclit

- Gang cầu là loại gang có thể có tổ chức nh- gang xám,

nh-ng graphit có dạng thu nhỏ thành h ỡ nh cầu

 Gang cầu có độ bền cao hơn gang xám nhiều, đặc biệt có độ

dẻo bảo đảm Có thể so sánh cơ tính gang cầu xấp xỉ bằng thép

mác thấp.

 Đ ể có tổ chức gang cầu, phải nấu chảy gang xám và dùng

ph-ơng pháp biến tính đặc biệt gọi là cầu hoá để tạo ra graphit

hỡnh cầu Kết quả là cũng trên các nền t-ơng tự nh- gang xám

với grathit cầu ta có: độ dẻo  = 5  15%;

(Trục khuỷu, Trục cỏn…)

Gang dÎo lµ lo¹i gang chÕ t¹o tõ gang tr¾ng b»ng ph-¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn (ñ)

Ký hiÖu: GZ xx-yy (Liªn x«: Kч xx-yy)

- Thép HK là loại thép có chứa trong nó một hàm l-ợng các nguyên tố HK thích hợp

- Hàm l-ợng của chúng phải đủ đến mức có thể làm thay đổi cơ tính th ỡ mới đ-ợc coi là chất cho thêm, nếu d-ới mức đó th ỡ chỉ là tạp chất.

nếu nhiệt luyện và ram hợp lý thép

hợp kim sẽ tăng cơ tính rõ rệt).

- Thép HK gi ữ đ-ợc độ bền cao hơn thép C ở nhiệt độ cao nhờ sự t-ơng tác của nguyên tố hợp kim trong các

tổ chức của thép cacbon

- Tạo ra những tính chất lý hoá đặc biệt , nh-: chống ăn mòn trong các môi tr-ờng ăn mòn;

Có thể tạo ra thép từ tính cao hay không có từ tính; độ giãn nở nhiệt rất nhỏ

 Các sự biến đổi khi Hợp kim hoá:

- Các dung dịch đặc trong thép

C hoà tan thêm nguyên tố hợp

kim tạo nên sự thay đổi có lợi

các toạ độ trên giản đồ trạng

thái hoặc tạo ra các pherit hợp

- Trừ một số nguyên tố nh- Ni, Si, Al… đa số các nguyên tố khác nh-

Cr, W, Ti … đều kết hợp với cacbon tạo nên

iv THẫP HỢP KIM

4.1 Khái niệm

- Đa số các nguyên tố làm cho độ quá nguội t ă ng lên ,

 đ-ờng cong chữ "C' dịch về bên phải Điều đó sẽ tạo điều kiện để nhiệt luyện

- Một số nguyên tố kết hợp với thép C và môi tr-ờng ngoài tạo nên lớp vỏ ôxyt rất bền để bảo vệ

1 Ph©n lo¹i theo thµnh phÇn hîp kim trong thÐp:

- ThÐp hîp kim thÊp:

cã tæng l-îng c¸c nguyªn tè

hîp kim ®-a vµo < 2,5%.

2 Ph©n lo¹i theo tªn gäi c¸c nguyªn tè HK chñ yÕu:

- ThÐp Mn, ThÐp Si, ThÐp Cr, ThÐp Ni, thÐp Cr-Ni,

3 Ph©n lo¹i theo c«ng dông:

iv THÉP HỢP KIM

4.2 Ph©n lo¹i

- ThÐp hîp kim trung b ì nh : cã tæng l-îng c¸c nguyªn tè hîp kim tõ 2,5  10%.

- Là loại thép trên cơ sở thép cacbon kết cấu cho thêm

các nguyên tố hợp kim (0,1  0,85% C và l-ợng phần

tr ă m nguyên tố hợp kim thấp )

> Thép HK kết cấu phải qua thấm cacbon rồi mới nhiệt

luyện  cơ tính cao.

> Loại thép này đ-ợc dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải

trọng cao, cần độ cứng, độ chịu mài mòn, hoặc cần tính

- Là loại thép cần có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện ,

độ chịu nhiệt và chịu mài mòn cao Hàm l-ợng cacbon trong thép HK dụng cụ từ 0,7  1,4% C ; các nguyên tố hợp kim cho vào là Cr, W, Si và Mn.

> Thép HK dụng cụ có tính nhiệt luyện tốt Sau nhiệt luyện có độ cứng đạt 60 - 62 HRC.

90CrSi, 100CrWMn, 100Cr12 và OL100Cr1,5

 Riêng loại thép làm ổ lăn th-ờng chứa hàm l-ợng

Cr cao hơn và ký hiệu theo tên riêng của nó

OLCr0,6; OLCr1; OLCr1,5

Ký hiệu:

> Trong tổ chức của thép gió gồm các nguyên tố

năng chống lại môi tr-ờng ăn mòn

> Trong thép th-ờng có nhiều pha, mỗi pha có điện thế điện cực khác nhau

> Trong thép không gỉ, hàm l-ợng crôm khá cao (>12%)

> Có hai loại thép không gỉ: loại hai pha pherit + cacbit; loại một pha ostennit

12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 12Cr19Ni9, 12Cr18Ni9Ti,…

2 Thép bền nóng : là loại thép HK làm việc ở nhiệt độ

cao mà độ bền khôn giảm, không bị ôxy hoá bề mặt

12CrMo, 10Cr18Ni12N6, 04Cr14Ni14W2Mo

3 Thép từ tính: là loại thép có khả năng khử từ cao

> Có thể dùng thép dụng cụ cacbon đ-ợc hợp kim hoá một l-ợng 2  3% Cr

> Cũng có thể dùng hệ hợp kim Fe- Al -Ni hoặc Al - Si - Fe

Hợp kim cứng là loại vật liệu điển h è nh với độ cứng nóng rất cao (800  1000 o C).

Nó đ-ợc dùng phổ biến làm các dụng cụ cắt gọt kim loại và cắt gọt vật liệu phi kim có độ cứng cao Hợp kim cứng không cần nhiệt luyện vẫn đạt độ cứng 85  92 HRC

Th-ờng dùng hai nhóm hợp kim cứng sau:

>> Nhóm này có độ dẻo thấp hơn so với nhóm BK

>> Riêng nhóm ba cacbit WC + TIC + TaC + Co ít dùng ở n-ớc ta vè khó chế tạo

 Ph-ơng pháp chế tạo HK cứng: chế tạo bột  ép định h è nh  thiêu kết

v HỢP KIM CỨNG

6.1 Nhôm và hợp kim Nhôm:

- Nhôm là kim loại nhẹ

- Khối l-ợng riêng nhẹ: khoảng 2,7g/cm 3

- Có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao

- Chống ă n mòn tốt

- Nhiệt độ nóng chảy: 660 0 C

- Đ ộ bền thấp:  = 60N/mm 2

- Đ ộ cứng thấp: ( HB = 25  mềm), nh-ng dẻo cao

- Trên bề mặt của nhôm có một lớp ôxyt bảo vệ chống ă n mòn trong môi tr-ờng không khí ở

nhiệt độ b ỡ nh th-ờng Lớp ôxyt nhôm này luôn luôn tự h ỡ nh thành trên bề mặt nhôm do tác

dụng với không khí.

 Ng-ời ta còn dùng cách ôxy hoá bề mặt nhôm bằng các ph-ơng pháp điện hoá hoặc hoá học,

để tạo nên lớp ôxyt bảo vệ v ữ ng chắc trong môi tr-ờng không khí và một số môi tr-ờng khác

+ 3 nhóm nhôm: A999: 99,999% Al  loại tinh khiết

A995, A99, A97 và A95: 99,995 ữ 99,95% Al  loại có độ sạch cao A85, A8, A7, A0: 99,85 ữ 99% Al  nhôm kỹ thuật

vi KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU

 Đồng có tính dẫn điện và dẫn nhiện tốt, tính chống an mòn cao dễ gia công bằng áp lực ở trạng thái nóng và

nguội, có thể dát mỏng thành tấm có chiều dày 0,05mm

Hai loại hợp kim đồng th-ờng dùng:

 Đồng thau đúc & đồng thau biến dạng

- Đ ồng thanh là hợp kim đồng và: Sn, Al, Cr,

Các loại đồng thanh th-ờng dùng: