Kỹ thuật vật liệu 2: Giới thiệu Vi cấu trúc, Xử lý và Thiết kế - Ashby & Jones

• Tác giả: Michael F. Ashby
• Trường học: Cambridge University
• Chuyên ngành: Vật liệu kỹ thuật
• Đề tài: Vật liệu kỹ thuật 2: Giới thiệu về vi cấu trúc, chế tạo và thiết kế
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 1998
• Địa điểm: Oxford

Tóm tắt

I. Tổng quan về Engineering Materials 2 Ashby

Engineering Materials 2 là giáo trình kinh điển về vật liệu kỹ thuật do Michael F. Ashby và David R. Jones biên soạn. Ấn bản thứ hai được xuất bản năm 1998 bởi nhà xuất bản Butterworth-Heinemann. Cuốn sách cung cấp kiến thức nền tảng về cấu trúc vi mô, quá trình xử lý và thiết kế vật liệu. Nội dung bao gồm các loại kim loại, hợp kim, cấu trúc tinh thể, đồ thị pha và động học biến đổi cấu trúc. Đây là tài liệu tham khảo quan trọng cho sinh viên kỹ thuật và kỹ sư vật liệu trên toàn thế giới. Cuốn sách kết hợp lý thuyết với thực tiễn, giúp người đọc hiểu sâu về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất vật liệu. Các nguyên tố hợp kim hòa tan trong kim loại gốc tạo thành dung dịch rắn với độ hòa tan khác nhau tùy thuộc tổ hợp nguyên tố được chọn.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nội dung sách

Cuốn sách Engineering Materials 2 hướng đến trang bị kiến thức chuyên sâu về vật liệu kỹ thuật. Phạm vi nội dung trải dài từ cấu trúc kim loại cơ bản đến các hợp kim phức tạp như thép carbon, đồng thau và hợp kim niken. Cuốn sách trình bày cách các nguyên tố hợp kim hòa tan trong kim loại gốc để tạo thành dung dịch rắn. Nội dung cũng đề cập đến interstitial và substitutional solid solutions cùng ảnh hưởng của chúng đến tính chất cơ học. Người đọc được tiếp cận phương pháp thiết kế vật liệu dựa trên cấu trúc vi mô và quá trình xử lý.

1.2. Tác giả và lịch sử phát triển cuốn sách

Michael F. Ashby là giáo sư tại Đại học Cambridge, nổi tiếng với các nghiên cứu về lựa chọn vật liệu và thiết kế kỹ thuật. David R. Jones là đồng tác giả, cũng công tác tại Khoa Kỹ thuật Cambridge. Ấn bản đầu tiên ra mắt năm 1986, được tái bản nhiều lần với các chỉnh sửa vào năm 1988 và 1992. Ấn bản thứ hai năm 1998 bổ sung nội dung cập nhật và mở rộng phạm vi thảo luận. Cuốn sách được xuất bản bởi Butterworth-Heinemann, một thành viên của Reed Elsevier plc, với ISBN 0 7506 4019 7.

II. Phân tích cấu trúc vi mô và tính chất vật liệu kỹ thuật

Cấu trúc vi mô quyết định phần lớn tính chất của vật liệu kỹ thuật. Engineering Materials 2 trình bày chi tiết về cấu trúc tinh thể, cấu trúc kính và ranh giới hạt. Các nguyên tố hợp kim hòa tan trong kim loại gốc tạo thành dung dịch rắn với độ hòa tan khác nhau. Sắt trong thép carbon chỉ hòa tan 0.007% carbon ở nhiệt độ phòng. Trong khi đó, đồng trong thau có thể hòa tan hơn 30% kẽm. Hệ đồng-niken có độ hòa tan hoàn toàn giữa hai nguyên tố. Hai loại dung dịch rắn cơ bản tồn tại trong vật liệu kỹ thuật. Các nguyên tử nhỏ như carbon chen vào khoảng trống giữa các nguyên tử kim loại lớn hơn. Các nguyên tử có kích thước tương tự sẽ thay thế lẫn nhau trong cấu trúc tinh thể.

2.1. Dung dịch rắn interstitial và substitutional

Dung dịch rắn interstitial xảy ra khi nguyên tử nhỏ như carbon, boron và các khí chen vào khoảng trống giữa nguyên tử kim loại lớn. Độ hòa tan interstitial thường giới hạn vài phần trăm nhưng ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ học. Dung dịch rắn carbon trong sắt chịu trách nhiệm chính cho dải cường độ rộng của thép carbon. Dung dịch rắn substitutional phổ biến hơn, khi nguyên tử tan có kích thước tương tự nguyên tử gốc thay thế vị trí trong mạng tinh thể. Khi liên kết A-A, A-B và B-B có cùng cường độ, sự thay thế là ngẫu nhiên. Liên kết không đều dẫn đến clustering hoặc ordering trong cấu trúc.

2.2. Đồ thị pha và cân bằng constitution hợp kim

Đồ thị pha là công cụ quan trọng để hiểu sự biến đổi cấu trúc khi trộn các nguyên tố thành hợp kim. Engineering Materials 2 trình bày các hệ hợp kim kinh điển như chì-thiếc, đồng-kẽm và đồng-niken. Đồ thị pha cho thấy nhiệt độ và thành phần ảnh hưởng đến pha tồn tại trong vật liệu. Thông tin này giúp kỹ sư chọn vật liệu phù hợp cho ứng dụng cụ thể. Cuốn sách cung cấp nhiều case study thực tế về đồ thị pha, bao gồm chọn solder mềm cho mối hàn, silicon nguyên chất cho chip bán dẫn và kỹ thuật làm đá không bong bóng.

III. Phương pháp xử lý và biến đổi cấu trúc vật liệu kỹ thuật

Quá trình xử lý vật liệu tạo ra sự biến đổi cấu trúc nhằm đạt tính chất mong muốn. Engineering Materials 2 phân tích động lực và động học của biến đổi cấu trúc trong vật liệu kỹ thuật. Công thực hiện trong quá trình biến đổi tạo động lực cho sự thay đổi cấu trúc. Các ví dụ bao gồm đóng rắn, biến đổi pha trạng thái rắn, kết tủa và tăng trưởng hạt. Tốc độ biến đổi phụ thuộc vào sự cân bằng giữa động lực kích hoạt và kích hoạt nhiệt. Nhiệt ẩn và quá trình khuếch tán làm chậm quá trình biến đổi đáng kể. Zone refining là kỹ thuật tinh chế quan trọng, sử dụng sự khác biệt độ hòa tan giữa pha lỏng và rắn để loại bỏ tạp chất hiệu quả.

3.1. Động học biến đổi khuếch tán và nhân pha mới

Động học biến đổi khuếch tán giải thích tại sao tốc độ biến đổi đạt giá trị cực đại ở nhiệt độ trung gian. Sự đối lập giữa động lực và kích hoạt nhiệt tạo ra đường cong hình chuông cho tốc độ biến đổi. Nhiệt ẩn giải phóng trong quá trình đóng rắn làm chậm sự lan truyền của mặt phân cách pha. Khuếch tán trong trạng thái rắn tương đối chậm, ảnh hưởng lớn đến tốc độ biến đổi tổng thể. Nhân pha là bước đầu tiên trong hình thành pha mới, xảy ra cả trong chất lỏng và chất rắn. Năng lượng bề mặt tạo rào cản cho quá trình nhân pha, yêu cầu quá lạnh đủ lớn để vượt qua.

3.2. Kỹ thuật zone refining và tinh chế vật liệu

Zone refining sử dụng nguyên lý phân bố tạp chất giữa pha lỏng và pha rắn để tinh chế vật liệu. Lò nung di chuyển dọc theo thanh vật liệu, tạo vùng nóng chảy cục bộ bên trong thanh. Khi vùng nóng chảy di chuyển, tạp chất có hệ số phân bố nhỏ hơn một sẽ bị đẩy về phía cuối thanh. Ở trạng thái ổn định, nồng độ tạp chất trong rắn phía trước vùng nóng chảy bằng với phía sau. Kỹ thuật này loại bỏ hiệu quả tạp chất, tạo vật liệu siêu tinh khiết cho ứng dụng công nghệ cao. Silicon nguyên chất cho chip bán dẫn là ứng dụng quan trọng nhất của zone refining trong thực tế.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của vật liệu kỹ thuật

Engineering Materials 2 cung cấp nền tảng vững chắc về vật liệu kỹ thuật cho ứng dụng thực tiễn trong nhiều ngành công nghiệp. Cuốn sách kết hợp lý thuyết cấu trúc vi mô với phương pháp thiết kế vật liệu một cách hệ thống. Kiến thức về đồ thị pha và động học biến đổi giúp kỹ sư dự đoán tính chất vật liệu trước khi sản xuất. Các nguyên tắc được áp dụng rộng rãi trong ngành sản xuất ô tô, xây dựng, hàng không và điện tử. Cuốn sách nhấn mạnh mối quan hệ giữa cấu trúc, quá trình xử lý và thiết kế cuối cùng. Đây là tài liệu không thể thiếu cho kỹ sư vật liệu và cơ khí hiện đại. Ấn bản thứ hai cập nhật nội dung phù hợp với công nghệ và xu hướng vật liệu đương đại.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp và sản xuất hiện đại

Kiến thức từ Engineering Materials 2 được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Ngành ô tô sử dụng hợp kim nhôm và thép carbon dựa trên nguyên tắc dung dịch rắn để giảm trọng lượng. Ngành điện tử áp dụng zone refining để sản xuất silicon siêu tinh khiết cho chip xử lý. Ngành xây dựng chọn vật liệu dựa trên đồ thị pha và tính chất cơ học phù hợp với tải trọng. Quá trình hàn solder sử dụng kiến thức về hệ hợp kim chì-thiếc để đảm bảo độ bền mối nối. Thiết kế vật liệu composite áp dụng nguyên tắc cấu trúc vi mô để tối ưu hiệu suất sử dụng.

4.2. Giá trị học thuật và tham khảo trong đào tạo kỹ thuật

Cuốn sách Engineering Materials 2 được sử dụng rộng rãi trong giảng dạy đại học kỹ thuật trên toàn thế giới. Nội dung phù hợp cho chương trình kỹ thuật vật liệu, cơ khí và sản xuất công nghiệp. Phương trình và đồ thị minh họa giúp sinh viên hiểu sâu nguyên lý hoạt động của vật liệu kỹ thuật. Cuốn sách kết hợp lý thuyết với case study thực tế, tăng khả năng ứng dụng kiến thức vào công việc. Tài liệu tham khảo phong phú hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu cho học viên cao học và nghiên cứu sinh. Ấn bản thứ hai với ISBN 0 7506 4019 7 là bản chuẩn được nhiều trường đại học sử dụng làm giáo trình chính thức.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net Engineering Materials 2 An Introduction to Microstructures, Processing and Design www.net Engineering Materials 2 An Introduction to Microstructures, Processing and Design Second Edition www.com by Michael F. Ashby and David R. Jones Department of Engineering, Cambridge University, England OXFORD AUCKLAND BOSTON JOHANNESBURG MELBOURNE NEW DELHI www.net Butterworth-Heinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 225 Wildwood Avenue, Woburn, MA 01801-2041 A division of Reed Educational and Professional Publishing Ltd A member of the Reed Elsevier plc group First edition 1986 Reprinted with corrections 1988 Reprinted 1989, 1992 Second edition 1998 Reprinted 1999 © Michael F. Ashby and David R.com All rights reserved. No part of this publication may be reproduced in any material form (including photocopying or storing in any medium by electronic means and whether or not transiently or incidentally to some other use of this publication) without the written permission of the copyright holder except in accordance with the provisions of the Copyright, Designs and Patents Act 1988 or under the terms of a licence issued by the Copyright Licensing Agency Ltd, 90 Tottenham Court Road, London, England W1P 9HE. Applications for the copyright holder’s written permission to reproduce any part of this publication should be addressed to the publishers British Library Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library Library of Congress Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the Library of Congress ISBN 0 7506 4019 7 Printed and bound in Great Britain by Biddles Ltd, Guildford and Kingd’s Lynn www.net Contents General introduction ix A. Metals 3 the generic metals and alloys; iron-based, copper-based, nickel-based, aluminium-based and titanium-based alloys; design data 2. Metal structures 14 the range of metal structures that can be altered to get different properties: crystal and glass structure, structures of solutions and compounds, grain and phase boundaries, equilibrium shapes of grains and phases 3. Equilibrium constitution and phase diagrams 25 how mixing elements to make an alloy can change their structure; examples: the lead–tin, copper–nickel and copper–zinc alloy systems 4. Case studies in phase diagrams 34 choosing soft solders; pure silicon for microchips; making bubble-free ice 5. The driving force for structural change 46 the work done during a structural change gives the driving force for the change; examples: solidification, solid-state phase changes, precipitate coarsening, grain growth, recrystallisation; sizes of driving forces 6. Kinetics of structural change: I – diffusive transformations 57 why transformation rates peak – the opposing claims of driving force and thermal activation; why latent heat and diffusion slow transformations down 7. Kinetics of structural change: II – nucleation 68 how new phases nucleate in liquids and solids; why nucleation is helped by solid catalysts; examples: nucleation in plants, vapour trails, bubble chambers and caramel www.net vi Contents 8. Kinetics of structural change: III – displacive transformations 76 how we can avoid diffusive transformations by rapid cooling; the alternative – displacive (shear) transformations at the speed of sound 9. Case studies in phase transformations 89 artificial rain-making; fine-grained castings; single crystals for semiconductors; amorphous metals 10. The light alloys 100 where they score over steels; how they can be made stronger: solution, age and work hardening; thermal stability 11. Steels: I – carbon steels 113 www.com structures produced by diffusive changes; structures produced by displacive changes (martensite); why quenching and tempering can transform the strength of steels; the TTT diagram 12. Steels: II – alloy steels 125 adding other elements gives hardenability (ease of martensite formation), solution strengthening, precipitation strengthening, corrosion resistance, and austenitic (f. Case studies in steels 133 metallurgical detective work after a boiler explosion; welding steels together safely; the case of the broken hammer 14. Production, forming and joining of metals 143 processing routes for metals; casting; plastic working; control of grain size; machining; joining; surface engineering B. Ceramics and glasses 15. Ceramics and glasses 161 the generic ceramics and glasses: glasses, vitreous ceramics, high- technology ceramics, cements and concretes, natural ceramics (rocks and ice), ceramic composites; design data 16. Structure of ceramics 167 crystalline ceramics; glassy ceramics; ceramic alloys; ceramic micro- structures: pure, vitreous and composite 17. The mechanical properties of ceramics 177 high stiffness and hardness; poor toughness and thermal shock resistance; the excellent creep resistance of refractory ceramics www.net Contents vii 18. The statistics of brittle fracture and case study 185 how the distribution of flaw sizes gives a dispersion of strength: the Weibull distribution; why the strength falls with time (static fatigue); case study: the design of pressure windows 19. Production, forming and joining of ceramics 194 processing routes for ceramics; making and pressing powders to shape; working glasses; making high-technology ceramics; joining ceramics; applications of high-performance ceramics 20. Special topic: cements and concretes 207 historical background; cement chemistry; setting and hardening of cement; strength of cement and concrete; high-strength cements www. Polymers and composites 21. Polymers 219 the generic polymers: thermoplastics, thermosets, elastomers, natural polymers; design data 22. The structure of polymers 228 giant molecules and their architecture; molecular packing: amorphous or crystalline? 23. Mechanical behaviour of polymers 238 how the modulus and strength depend on temperature and time 24. Production, forming and joining of polymers 254 making giant molecules by polymerisation; polymer “alloys”; forming and joining polymers 25. Composites: fibrous, particulate and foamed 263 how adding fibres or particles to polymers can improve their stiffness, strength and toughness; why foams are good for absorbing energy 26. Special topic: wood 277 one of nature’s most successful composite materials D. Designing with metals, ceramics, polymers and composites 27. Design with materials 289 the design-limiting properties of metals, ceramics, polymers and composites; design methodology www.net viii Contents 28. Case studies in design 296 1. Designing with metals: conveyor drums for an iron ore terminal 296 2. Designing with ceramics: ice forces on offshore structures 303 3. Designing with polymers: a plastic wheel 308 4. Designing with composites: materials for violin bodies 312 Appendix 1 Teaching yourself phase diagrams 320 Appendix 2 Symbols and formulae 370 Index 377 www.net General introduction Materials are evolving today faster than at any time in history. Industrial nations regard the development of new and improved materials as an “underpinning tech- nology” – one which can stimulate innovation in all branches of engineering, making possible new designs for structures, appliances, engines, electrical and electronic de- vices, processing and energy conservation equipment, and much more. Many of these www.com nations have promoted government-backed initiatives to promote the development and exploitation of new materials: their lists generally include “high-performance” composites, new engineering ceramics, high-strength polymers, glassy metals, and new high-temperature alloys for gas turbines. These initiatives are now being felt throughout engineering, and have already stimulated design of a new and innovative range of consumer products. So the engineer must be more aware of materials and their potential than ever before. Innovation, often, takes the form of replacing a component made of one mater- ial (a metal, say) with one made of another (a polymer, perhaps), and then redesigning the product to exploit, to the maximum, the potential offered by the change. The engineer must compare and weigh the properties of competing materials with pre- cision: the balance, often, is a delicate one. It involves an understanding of the basic properties of materials; of how these are controlled by processing; of how materials are formed, joined and finished; and of the chain of reasoning that leads to a successful choice. This book aims to provide this understanding. It complements our other book on the properties and applications of engineering materials,* but it is not necessary to have read that to understand this. In it, we group materials into four classes: Metals, Ceramics, Polymers and Composites, and we examine each in turn. In any one class there are common underlying structural features (the long-chain molecules in poly- mers, the intrinsic brittleness of ceramics, or the mixed materials of composites) which, ultimately, determine the strengths and weaknesses (the “design-limiting” properties) of each in the engineering context. And so, as you can see from the Contents list, the chapters are arranged in groups, with a group of chapters to describe each of the four classes of materials. In each group we first introduce the major families of materials that go to make up each materials class. We then outline the main microstructural features of the class, and show how to process or treat them to get the structures (really, in the end, the properties) that we want. Each group of chapters is illustrated by Case Studies designed to help you * M. Jones, Engineering Materials 1: An Introduction to their Properties and Applications, 2nd edition, Butterworth-Heinemann, 1996.net x General introduction understand the basic material. And finally we look at the role of materials in the design of engineering devices, mechanisms or structures, and develop a methodology for materials selection. One subject – Phase Diagrams – can be heavy going. We have tried to overcome this by giving a short programmed-learning course on phase dia- grams. If you work through this when you come to the chapter on phase diagrams you will know all you need to about the subject. It will take you about 4 hours. At the end of each chapter you will find a set of problems: try to do them while the topic is still fresh in your mind – in this way you will be able to consolidate, and develop, your ideas as you go along. To the lecturer This book has been written as a second-level course for engineering students. It pro- vides a concise introduction to the microstructures and processing of materials (metals, www.com ceramics, polymers and composites) and shows how these are related to the properties required in engineering design. It is designed to follow on from our first-level text on the properties and applications of engineering materials,* but it is completely self- contained and can be used by itself. Each chapter is designed to provide the content of a 50-minute lecture. Each block of four or so chapters is backed up by a set of Case Studies, which illustrate and con- solidate the material they contain. There are special sections on design, and on such materials as wood, cement and concrete. And there are problems for the student at the end of each chapter for which worked solutions can be obtained separately, from the publisher. In order to ease the teaching of phase diagrams (often a difficult topic for engineering students) we have included a programmed-learning text which has proved helpful for our own students. We have tried to present the material in an uncomplicated way, and to make the examples entertaining, while establishing basic physical concepts and their application to materials processing. We found that the best way to do this was to identify a small set of “generic” materials of each class (of metals, of ceramics, etc.) which broadly typified the class, and to base the development on these; they provide the pegs on which the discussion and examples are hung. But the lecturer who wishes to draw other materials into the discussion should not find this difficult. Acknowledgements We wish to thank Prof. Chadwick for permission to reprint Fig. Pascoe and Van Nostrand Reinhold Co. for permission to reprint Fig. Jones, Engineering Materials 1: An Introduction to their Properties and Applications, 2nd edition, Butterworth-Heinemann, 1996.net 2 Engineering Materials 2 www.net Metals 3 Chapter 1 Metals Introduction This first group of chapters looks at metals. There are so many different metals www.com – literally hundreds of them – that it is impossible to remember them all. It isn’t necessary – nearly all have evolved from a few “generic” metals and are simply tuned- up modifications of the basic recipes. If you know about the generic metals, you know most of what you need. This chapter introduces the generic metals. But rather than bore you with a cata- logue we introduce them through three real engineering examples.