Chương 1 tính chất và cấu tạo

TÍNH CHẤT VÀ CẤU TẠO Giới thiệu môn học Học phần Vật liệu và Công nghệ Chế tạo được chia làm 2 phần chính: Phần 1: Vật liệu cơ khí Vật liệu được khảo sát trong học phần này là dạng rắn đ

Trang 1

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ

VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ

CHẾ TẠO

CHƯƠNG 1 TÍNH CHẤT VÀ CẤU TẠO

Giới thiệu môn học

Học phần Vật liệu và Công nghệ Chế tạo được chia làm 2 phần chính:

Phần 1: Vật liệu cơ khí

Vật liệu được khảo sát trong học phần này là dạng rắn được ứng dụng trong lĩnh vực chế tạo các

công cụ, máy móc thiết bị Có 4 nhóm vật liệu dùng phổ biến trong công nghiệp:

 Vật liệu kim loại

 Vật liệu vô cơ – gốm

 Vật liệu hữu cơ – polyme

 Vật liệu tổng hợp - composite

Phần 2: Công nghệ chế tạo

Các công nghệ chế tạo phổ biến được khảo sát, bao gồm:

 Công nghệ đúc

 Các phương pháp gia công áp lực

 Công nghệ hàn

 Các phương pháp gia công cắt gọt

 Các phương pháp gia công đặc biệt

Trang 2

Vật liệu và Công nghệ Chế tạo

Mục tiêu

Môn học được xây dựng theo hướng giúp cho sinh viên hiểu được các kiến thức cơ bản cần

thiết về kim loại học và các phương pháp gia công điển hình Ngoài ra, học phần này còn giúp

sinh viên kỹ năng về phát triển, phân tích và vận dụng kiến thức vật liệu và công nghệ cơ khí để

giải quyết những vấn đề kỹ thuật trong thực tế, có cơ sở kiến thức để học và tiếp cận các môn

học khác

Phương pháp giảng dạy

 Trình bày lý thuyết bằng Slides kết hợp với phấn, bảng

 Đưa ra các bài tập, chủ đề cho sinh viên cuối buổi học

 Thảo luận theo nhóm

Phương pháp học tập

 Sinh viên tham gia nghe giảng, làm bài tập nhóm, thảo luận nhóm

 Sinh viên được khích lệ sử dụng tổng hợp các kiến thức từ các học phần khác và những

trải nghiệm trong cuộc sống để đề xuất giải pháp cho vấn đề đặt ra

Giới hạn môn học

Vì tính chất giới hạn thời lượng của môn học (45 tiết lý thuyết) nên các chủ đề sẽ được trình

bày mang tính chất tổng quát Các yêu cầu cụ thể về nội dung, sinh viên sẽ tiếp cận trong các

học phần chuyên ngành liên quan

1.1 Tính chất của vật liệu

Khái niệm tính chất vật liệu bao gồm: lý tính, hóa tính, tính công nghệ và tính ứng dụng Trong

đó, đối với lĩnh vực cơ khí, cơ tính thuộc lý tính được xem là quan trọng nhất

1.1.1 Tính chất vật lý

Tính dẫn điện

 Căn cứ vào khả năng dẫn điện của vật liệu mà phân làm ba loại: vật liệu dẫn điện, vật

liệu cách điện (điện môi) và vật liệu bán dẫn

Tính nhiệt

 Phản ứng của vật liệu dưới tác dụng nhiệt: độ dẫn nhiệt và ứng suất nhiệt Trong đó ứng

suất nhiệt được xét nhiều trong lĩnh vực cơ khí do ứng suất này có thể dẫn đến sự biến

dạng dẻo hoặc phá hủy dưới tác dụng nhiệt

Tính từ

 Tính phản ứng dưới tác dụng của từ trường bao gồm: Thuận từ, nghịch từ và sắt từ

Tính chất quang

 Là khả năng của vật liệu dưới tác dụng của bức xạ điện từ hoặc ánh sáng trong các ứng

Trang 3

1.1.2 Tính chất hóa học

Đặc tính hóa học là xác định mối quan hệ giũa tác dụng hóa học của môi trường với vật liệu

Các tính chất hóa học vật liệu thường được quan tâm là tính chống ăn mòn của kim loại:

Môi trường ăn mòn hóa học:

 Là môi trường chứa các chất xâm thực như O2, S2, Cl2, H2O, … Ví dụ như trong môi

trường tự nhiên, kim loại sẽ bị oxy hóa khi nung

Môi trường ăn mòn điện hóa:

 Chứa chất điện giải như axít, muối nóng chảy, bazơ,… tạo ra dòng điện làm mòn sâu bên

trong bề mặt của kim loại và phá hủy nó

Để tăng khả năng chống ăn mòn vật liệu, các biện pháp như tăng độ bóng bề mặt, sơn phủ hoặc

xi mạ được sử dụng

1.1.3 Tính chất công nghệ

Là khả năng vật liệu có thể chịu được các dạng gia công khác nhau Vật liệu được sử dụng dưới

dạng những sản phẩm xác định, chế tạo bằng những công nghệ khác nhau thể hiện qua đặc tính

công nghệ của vật liệu Tính chất công nghệ có tác dụng quyết định đến việc lựa chọn phương

pháp gia công đồng thời xác định khả năng sử dụng của nó Vật liệu có tính công nghệ kém ít

được sử dụng vì khó gia công hoặc chi phí gia công cao

Các tính chất công nghệ phổ biến của vật liệu như:

 Tính đúc

 Tính hàn

 Tính biến dạng trong gia công áp lực

 Tính cắt trong gia công cắt gọt

Ví dụ một loại vật liệu có tính gia công cắt gọt tốt phải có độ cứng thấp, độ dẻo kém Qua đó

cho thấy thép là loại vật liệu có tính gia công cắt gọt kém hơn kim loại màu

Trang 4

1.1.4 Tính chất cơ học

Là khả năng ứng xử của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực

Các đặc tính cơ học thường được xét của vật liệu cơ khí như: độ cứng, độ dẻo, độ dai, độ chịu

va đập, độ bền tĩnh và độ bền mỏi

1.1.5 Tính chất sử dụng

Đặc tính này bao gồm một số đặc trưng tổng hợp của các tính chất trên thể hiện khả năng sử

dụng của vật liệu cho một mục đích cụ thể

Ví dụ:

 Tuổi thọ sử dụng: là một trong những đặc trưng quan trọng nhất của vật liệu, vì vậy việc

chọn vật liệu làm sản phẩm phải có những đặc tính phù hợp với môi trường làm việc của

sản phẩm đó

 Tính kinh tế: Việc lựa chọn vật liệu dựa vào tiêu chí đảm bảo tuổi thọ cơ bản nhưng có

chi phí sản xuất thấp nhất

Qua đó, tính chất sử dụng là tính chất quan trọng của vật liệu học đối với việc tính toán thiết kế

một sản phẩm đáp ứng được chất lượng cũng như giá thành

1.1.6 Các đặc trưng cơ tính thông thường và ý nghĩa

Độ bền (tĩnh)

Là khả năng vật liệu chịu được tải trọng cơ học tĩnh mà không bị phá hủy

Căn cứ vào tải trọng tác dụng lên vật liệu mà độ bền được chia ra:

 Độ bền kéo: chịu lực kéo

 Độ bền nén: chịu lực nén

 Độ bền uốn: chịu lực uốn

 Độ bền xoắn: chịu lực xoắn hai đầu

Đối với các loại vật liệu khác nhau, người ta căn cứ vào khả năng chịu đựng tải trọng tác dụng

lên nó để xác định các giới hạn bền Ví dụ như thép kiểm tra độ bền kéo, gang kiểm tra độ bền

nén

Trang 5

Các giới hạn:

 Giới hạn đàn hồi: Là ứng suất lớn nhất tác dụng lên chi tiết thử mà khi bỏ lực tác dụng,

chi tiết thử không bị biến dạng

 Giới hạn chảy: Là ứng suất mà tại điểm kim loại bị chảy (ứng suất nhỏ nhất bắt đầu gây

nên biến dạng dẻo)

 Giới hạn bền: Là ứng suất lớn nhất mà chi tiết chịu đựng được trước khi bị phá hủy

Tất cả các giới hạn của vật liệu kim loại có đơn vị đo là Kg/mm² hoặc MPa

Ý nghĩa:

Dựa trên các chỉ tiêu phản ánh độ bền của vật liệu để đánh giá tính sử dụng bao gồm:

 Khả năng chịu tải tĩnh: Khi các chi tiết máy có cùng thông số kích thước và được chế tạo

từ nhiều loại vật liệu khác nhau thì:

 Vật liệu có giới hạn đàn hồi cao hơn thì khả năng chịu tải trọng lớn hơn mà vẫn đảm

bảo tính đàn hồi Ứng dụng trong các sản phẩm đòi hỏi tính đàn hồi cao

 Vật liệu có giới hạn chảy cao hơn thì khả năng chịu tải trọng lớn hơn mà vẫn không

bị biến dạng Ứng dụng trong các kết cấu dầm, đà,…

 Vật liệu có giới hạn bền cao hơn thì khả năng chịu tải trọng lớn hơn mà không bị phá

hủy Ứng dụng chế tạo các chi tiết như máy như trục, bánh răng, then,…

 Tuổi thọ sử dụng: Nếu các chi tiết máy có hình dáng và điều kiện làm việc như nhau và

được chế tạo bằng vật liệu khác nhau, loại có độ bền cao thì tuổi thọ sử dụng cao

 Tối ưu hình dáng hình học: Khi các chi tiết máy có cùng kết cấu được chế tạo bằng các

vật liệu khác nhau, loại vật liệu có độ bền cao hơn cho phép giảm một số kích thước

thành phần mà vẫn đảm bảo mục đích sử dụng

Trang 6

Độ dẻo

Là khả năng vật liệu thay đổi hình dáng, kích thước mà không bị phá hủy khi chịu ngoại lực

Để xác định độ dẻo, người ta thường đánh giá dựa trên hai chỉ tiêu cùng xác định trên mẫu sau

khi thử độ bền kéo:

 Độ giãn dài tương đối khi kéo: là khả năng vật liệu thay đổi theo chiều dài sau khi bị kéo

đứt

 Độ thắt tiết diện tương đối: là khả năng vật liệu thay đổi tiết diện khi mẫu bị kéo đứt

Ý nghĩa:

 Đánh giá khả năng biến dạng dẻo của vật liệu khi gia công áp lực Độ dẻo của vật liệu

càng cao, khả năng công nghệ trong gia công áp lực càng tốt (cán, kéo, ép, rèn, dập,…)

 Qua trị số độ dẻo có thể xác định được vật liệu bị phá hủy dẻo (trước đó có biến dạng

dẻo) hoặc phá hủy giòn (trước đó không có hiện tượng biến dạng) Những loại vật liệu có

độ dẻo thấp rất nguy hiểm, sẽ bị nứt, gãy đột ngột mà không có hiện tượng báo trước

Độ dai va đập

Là khả năng vật liệu chịu được tải trọng va đập mà không bị phá hủy

Để xác định độ dai va đập, người ta thường thực hiện trên máy thử va đập bằng lực đập của búa

trên máy với tốc độ cao để phá hủy mẫu kim loại

Đơn vị đo độ dai va đập: Kgm/cm² hoặc KJ/cm²

Ý nghĩa:

 Nhờ xác định độ dai va đập, người ta có thể đánh giá khả năng làm việc của chi tiết máy

chịu tải trọng động do va đập mà không bị phá hủy

 Trong thực tế, độ dai va đập chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố:

 Trạng thái bề mặt: vết khía, rãnh, lỗ,… đều làm giảm độ dai va đập

 Kích thước hạt tinh thể càng nhỏ, độ dai va đập càng cao

 Hạt dạng tinh thể tròn, đa cạnh có độ chịu va đập cao hơn dạng tấm, hình kim

Trang 7

Độ bền mỏi

Là khả năng vật liệu chống lại sự phá hủy dưới tác dụng của lực theo chu kỳ

Đơn vị đo độ bền mỏi: Kg/cm² hoặc MPa

Ý nghĩa:

 Nhờ xác định được độ bền mỏi, người ta có thể đánh giá được khả năng bề mặt kim loại

chịu được các lực thay đổi theo chu kỳ mà không bị phá hủy

 Các phương pháp nâng cao độ bền mỏi:

 Tạo nên bề mặt lớp ứng suất dư nén bằng cách phun bi, lăn ép, tôi bề mặt và hóa

nhiệt luyện trên bề mặt kim loại

 Nâng cao độ bền tĩnh, nhờ đó cũng nâng cao được giới hạn mỏi

 Tạo bề mặt chi tiết máy có độ bóng cao, hạn chế rãnh, lỗ, tránh những bề mặt có tiết

diện thay đổi đột ngột

Độ cứng

Là khả năng vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có một chi tiết cứng hơn tác dụng lực

lên bề mặt của nó

Độ cứng được xác định dựa vào nguyên tắc: Dùng lực nhất định tác dụng vào bề mặt cần đo độ

cứng thông qua mũi tiêu chuẩn (mũi kim cương hoặc bi thép nhiệt luyện), sau đó dựa vào kích

thước vết lõm để xác định độ cứng

Dựa vào chuẩn đo độ cứng, có hai loại phổ biến thường được sử dụng:

 Độ cứng Brinen: đo trên máy Brinen, mũi đo là bi thép tiêu chuẩn, bề mặt kim loại sẽ bị

lõm dưới tác dụng của một lực nhất định, đường kính vết lõm được đo để xác định độ

cứng Đơn vị: HB

 Độ cứng Rocvel: trên đồng hồ hiển thị 3 thang đo: A, B, C tương ứng lực đo 60kg,

100kg, 150kg Đơn vị được ghi kèm thang đo sử dụng:

 Thang A, lực 60kg, mũi kim cương, đơn vị HRA

 Thang B, lực 100kg, mũi bi thép, đơn vị HRB

 Thang C, lực 150kg, mũi kim cương, đơn vị HRC

Trang 8

Độ cứng

Ý nghĩa:

 HB: thường dùng để đo các vật liệu mềm (gang, hợp kim màu,…), kích thước lớn,

thường là bán thành phẩm

 HRB: thường dùng để đo các vật liệu mềm (gang, hợp kim màu,…), kích thước nhỏ,

thường là thành phẩm

 HRA: đo các vật liệu cứng và mỏng (hợp kim cứng, thép qua nhiệt-hóa luyện,…)

 HRC: đo các vật liệu khá cứng, thường là các chi tiết được chế tạo bằng thép đã qua

nhiệt luyện

Thông qua độ cứng có thể đặc trưng được tích chất làm việc các sản phẩm cơ khí:

 Khả năng chống mài mòn bề mặt Để đạt độ chống mài mòn cao, độ cứng phải đạt trên

60HRC

 Khả năng cắt gọt của dao hoặc khuôn dập nguội

 Khả năng gia công cắt gọt của phôi

 Khả năng chịu áp lực cục bộ: độ cứng càng cao khả năng chịu áp lực cục bộ càng kém

 Khả năng mài bóng: độ cứng càng cao, khả năng mài bóng càng tốt

Quan hệ giữa các đặc trưng cơ tính trong vật liệu (thép)

 Trong phạm vi nhất định, độ cứng tăng thì độ bền cũng tăng theo

 Độ cứng của vật liệu càng cao thì độ dẻo và độ dai va đập càng giảm, dễ bị phá hủy giòn

 Độ dai va đập là sự tổng hợp của độ bền và độ dẻo, chỉ cần một trong hai giá trị này giảm

cũng sẽ làm độ dai va đập giảm theo

 Cơ tính tổng hợp của vật liệu là đặc tính bảo đảm độ bền, độ dẻo, độ dai, độ cứng đều

cao để vật liệu tránh bị phá hủy trong điều kiện làm việc chịu cả tải trọng tĩnh lẫn tải

trọng động Các sản phẩm cơ khí thường là các chi tiết máy cần đến tính tổng hợp cao,

đặc biệt là các chi tiết máy truyền chuyển động, chịu lực lớn cần cơ tính tổng hợp cao

 Tính đàn hồi của vật liệu là cơ tính có độ cứng và độ bền khá cao để độ dẻo, độ dai va

đập không quá thấp Các sản phẩm cơ khí như lò xo, nhíp ôto ,… đều cần độ đàn hồi cao

Trang 9

1.2.1 Khái niệm chung

Sắp xếp nguyên tử trong vật rắn

Vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử (phân tử) nhưng tùy các loại vật rắn cấu tạo khác nhau,

sắp xếp nguyên tử (phân tử) của chúng khác nhau Nói chung, vật rắn trong tự nhiên có hai hình

thức sắp xếp nguyên tử (phân tử): Vật rắn vô định hình và vật rắn tinh thể

Vật rắn vô định hình

 Là những vật rắn có cấu tạo mà các nguyên tử (phân tử) không có trật tự sắp xếp theo

quy luật

 Để nhận biết, trong tự nhiên, những vật này không có hình dáng nhất định, mặt gãy vỡ

thì nhẵn nhụi, ví dụ nhữ than đá, thủy tinh, nhựa hữu cơ,… thường là vật liệu rắn phi

kim loại

Vật rắn tinh thể

 Là những vật rắn có cấu tạo mà các nguyên tử (phân tử) có trật tự sắp xếp theo một quy

luật nào đó

 Để nhận biết, trong tự nhiên, những vật này bao giờ cũng có hình dáng nhất định, mặt

gãy vỡ có dạng hạt sần sùi, thường là những vật liệu kim loại

 Khi làm biến đổi cấu trúc tinh thể của vật rắn sẽ làm biến đổi rất nhiều tính chất của nó,

đặt biệt là cơ tính, do đó dẫn đến ảnh hưởng tính sử dụng của vật liệu

Mạng tinh thể

Để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của kim loại, sự sắp xếp của các nguyên tử (phân tử) được mô

hình hóa dạng hình học không gian gọi là mạng tinh thể

Định nghĩa mạng tinh thể

 Là mô hình hình học mô tả sắp xếp có quy

luật của các nguyên tử (phân tử) ở trong

không gian của vật tinh thể

Việc xây dựng toàn bộ mô hình mạng tinh thể của

vật rắn là rất phức tạp, vì vậy người ta xét những

khối hình học có kích thước nhỏ nhất với đầy đủ sự

sắp xếp trật tự theo quy luật của nguyên tử (phân

tử) trong mạng tinh thể và được gọi là khối cơ sở

Tập hợp tất cả các khối cơ sở liên tiếp theo ba

chiều đo trong không gian ta có mạng tinh thể

1.2 Cấu tạo vật liệu

Trang 10

Mạng tinh thể

Định nghĩa khối cơ sở

 Là khối thể tích nhỏ nhất đặc trưng một cách đầy đủ về sự sắp xếp trật tự có quy luật của

nguyên tử (phân tử) trong mạng tinh thể

Thực tế, để đơn giản, người ta chỉ cần biểu diễn mạng tinh thể bằng ô cơ sở

Mạng tinh thể

Thông số mạng

 Là kích thước cơ bản của mạng tinh thể từ đó có thể tính ra được khoảng cách giữa hai

nguyên tử (phân tử) bất kỳ trong mạng (theo khoảng cách các cạnh ô cơ sở) Đơn vị đo

chiều dài thông số mạng là Angstrong (ký hiệu: A°; 1 A° = 10-8cm) hoặc Kilochxi (ký

hiệu KX; 1KX = 1,00202A°)

 Một kiểu mạng tinh thể: Là chỉ một loại vật rắn có cùng một cách sắp xếp trật tự của

nguyên tử (phân tử) theo một quy luật, tức là có cùng ô cơ sở và có cùng trị số thông số

mạng

 Một loại mạng tinh thể: Là chỉ những vật rắn có cùng cách sắp xếp trật tự của nguyên tử

(phân tử) theo một quy luật nào đó, túc là có cùng ô cơ sở nhưng không nhất thiết phải có

cùng trị số thông số mạng

Chú ý:

Nếu một vật rắn có cấu tạo là một kiểu mạng tinh thể thì tính chất của nó sẽ đồng nhất với nhau

1.2 Cấu tạo vật liệu

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	428,51 KB