CHƯƠNG 1. CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH VẬT LIỆU KIM LOẠI 7 1. Khái niệm về vật liệu kim loại. Cấu tạo mạng tinh thể.
Cấu tạo nguyên tử kim loại. Cấu tạo tinh thể kim loại. Các dạng ô cơ bản của mạng tinh thể kim loại. Đơn tinh thể và đa tinh thể.
Sự kết tinh của kim loại. Điều kiện xảy ra kết tinh. Hai quá trình của sự kết tinh. Sự hình thành hạt tinh thể.
Tính chất chung của kim loại và hợp kim. Tính công nghệ. HỢP KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC 28 1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim.
Khái niệm về hợp kim. Các tổ chức của hợp kim. Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C (Fe- Fe3C). Sự tương tác của Fe và C.
Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C. Tổ chức hợp kim Fe-C. Các sản phẩm của hợp kim Fe-C. NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN 41 1.
Một số khái niệm cơ bản về nhiệt luyện. Các tổ chức của thép khi nung nóng và làm nguội. Các phương pháp nhiệt luyện thép. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép.
Hóa nhiệt luyện thép. Khái niệm chung về hóa nhiệt luyện. Các phương pháp hóa nhiệt luyện. VẬT LIỆU KIM LOẠI 66 1.
Phân loại và ký hiệu thép cacbon. Thép hợp kim. Phân loại và ký hiệu thép hợp kim. Phân loại gang.
HỢP KIM MÀU VÀ PHI KIM 83 1. Hợp kim màu. Nhôm và hợp kim nhôm. Đồng và hợp kim đồng.
Tính chất cơ lý của chất dẻo. Các phương pháp chế biến sản phẩm từ chất dẻo. Vật liệu compozit. Phân loại Compozit.
Một số vật liệu Compozit thông dụng.98 TÀI LIỆU THAM KHẢO:.99 6 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Vật liệu cơ khí Mã môn học: MH08 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Được bố trí vào học kỳ 1 trước khi học sinh học các mô đun chuyên môn nghề. - Tính chất: Là môn học cơ sở - Ý nghĩa và vai trò của môn học: Cung cấp kiến thức về một số loại vật liệu thường được sử dụng trong ngành cơ khí làm nền tảng lý thuyết để học sinh tiếp tục học tập ở các môn học, mô đun sau. Mục tiêu của môn học: - Về kiến thức: + Trình bày được đặc điểm, tính chất cơ lý, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí như: gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dung dịch trơn nguội. + Giải thích được một số khái niệm về nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện.
- Về kỹ năng: + Nhận biết được vật liệu qua màu sắc, xem tia lửa khi mài. + Xác định được tính chất, công dụng các loại vật liệu thường dùng cho nghề. + Nhiệt luyện được một số dụng cụ của nghề như dao tiện thép gió, đục. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Rèn luyện được tính k礃ऀ luật, nghiêm túc, có tinh thần trách nhiệm cao trong học tập.
+ Chủ động, tích cực thực hiện nhiệm vụ trong quá trình học. CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH VẬT LIỆU KIM LOẠI Giới thiệu: Nội dung chương này trình bày cấu trúc và cơ tính vật liệu kim loại. Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm về mạng tinh thể, ô cơ sở, các cấu trúc mạng tinh thể của kim loại. - Mô tả được quá trình kết tinh của kim loại.
- Trình bày được các tính chất chung của kim loại và hợp kim. - Rèn luyện được tính k礃ऀ luật, nghiêm túc, có tinh thần trách nhiệm cao trong học tập. - Chủ động, tích cực thực hiện nhiệm vụ trong quá trình học. Nội dung chính: 1.
Khái niệm về vật liệu kim loại. Kim loại là loại vật liệu có các tính chất có lợi cho xây dựng: cường độ lớn, độ dẻo và độ chống mỏi cao. Nhờ đó mà kim loại được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và các ngành kĩ thuật khác. Ở dạng nguyên chất, do cường độ và độ cứng thấp, độ dẻo cao, kim loại có phạm vi sử dụng rất hạn chế.
Chúng được sử dụng chủ yếu ở dạng hợp kim với kim loại và á kim khác, thí dụ như cacbon. Sắt và hợp kim của nó (thép và gang) gọi là kim loại đen; những kim loại còn lại (Be, Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, v.) và hợp kim của chúng gọi là kim loại màu. Kim loại đen được sử dụng trong xây dựng nhiều hơn cả, giá kim loại đen thấp hơn kim loại màu. Tuy nhiên kim loại màu lại có nhiều tính chất có giá trị: cường độ, độ dẻo, khả năng chống ăn mòn, tính trang trí cao.
Những điều đó đã mở rộng phạm vi sử dụng kim loại màu trong xây dựng, phổ biến là các chi tiết kiến trúc và các kết cấu nhôm. Nguyên liệu để chế tạo kim loại đen là quặng sắt, mangan, crôm, mà các khoáng đại diện cho chúng là nhóm các oxit: macnetit (Fe3O4 ), quặng sắt đỏ (Fe2O3 ), piroluzit (MnO2 ), crômit (FeCr2O4 ). Để sản xuất kim loại 8 màu người ta sử dụng boxit chứa các hidroxit: hidracgilit (Al(OH)3 , diasno (HAlO2 ); các loại quặng sunfua và cacbonat đồng, niken, chì v. với các khoáng đại diện là chancopirit (CuFeS2 ), sfalêit (ZnS), xeruxit (PbCO3 ), magiezit ( MgCO3 ) v.
Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình và ngay cả để thay thế các bộ phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật. Như vậy tất cả các chất lỏng, khí cho dù rất quan trọng song cũng không phải là đối tượng nghiên cứu của môn học. Dựa theo cấu trúc - tính chất đặc trưng, người ta phân biệt bốn nhóm vật liệu chính (hình 1.1) như sau: Hình 1. Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu và quan hệ giữa chúng: 1.
polyme dẫn điện Vật liệu kim loại. Vật liệu kim loại thường là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố kim loại, trong đó nhiều điện tử là của chung không thuộc về nguyên tử nào. Các tính chất điển hình của vật liệu kim loại là: - Đắt và khá đắt, - Dẫn nhiệt, dẫn điện cao, - Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua, dẻo dễ biến dạng dẻo. - Có độ bền cơ học, nhưng kém bền hóa học.
9 - Trừ nhôm ra các kim loại thông dụng như sắt, đồng. đều khá nặng, - Nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật. Vật liệu này có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim (ôxit, nitrit, cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh. Các tính chất điển hình của vật liệu vô cơ - ceramic là: - Rẻ và khá rẻ.
- Dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện). - Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ. Vật liệu này phần lớn có nguồn gốc hữu cơ mà thành phần hóa học chủ yếu là cacbon, hyđrô và các á kim, có cấu trúc đại phân tử. Các tính chất điển hình của vật liệu hữu cơ polyme là: - Rẻ và khá rẻ.
- Dẫn nhiệt, dẫn điện kém. - Khối lượng riêng nhỏ. - Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao. - Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển; nóng chảy, phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp.
Vật liệu này được tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả ba loại vật liệu kể trên, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần. Ví dụ bêtông cốt thép (vô cơ - kim loại) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao (như bêtông). Hiện dùng phổ biến các compozit hệ kép: kim loại - polyme, kim loại - ceramic, polyme - ceramic với những tính chất mới lạ, rất hấp dẫn. Ngoài ra có những nhóm phụ khó ghép vào một trong bốn loại trên: - Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn).
10 - Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn 2. Cấu tạo mạng tinh thể. Cấu tạo nguyên tử kim loại. Như đã học ở môn "Vật Lý", nguyên tử là hệ thống gồm hạt nhân (mang điện tích dương) và các điện tử bao quanh (mang điện tích âm) mà ở trạng thái bình thường được trung hòa về điện.
Hạt nhân gồm prôtôn (điện tích dương) và nơtron (không mang điện). Các điện tử phân bố quanh hạt nhân tuân theo các mức năng lượng từ thấp đến cao. Cấu hình điện tử (electron configuration) chỉ rõ: số lượng tử chính (1, 2, 3.), ký hiệu phân lớp (s, p, d.), số lượng điện tử thuộc phân lớp (số mũ trên ký hiệu phân lớp). Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấu hình điện tử là 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s1, qua đó biết được số điện tử ngoài cùng (ở đây là 1, hóa trị 1).
Trong số kim loại có nhóm kim loại chuyển tiếp là loại có phân lớp ở sát phân lớp ngoài cùng bị thiếu điện tử. Ví dụ: Fe có Z = 26 có cấu hình điện tử là1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 (trong trờng hợp này phân lớp 3d bị thiếu, chỉ có 6, nếu đủ phải là 10 như trường hợp của Cu). Cấu tạo tinh thể kim loại. - Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân).
+ Mạng tinh thể là mô hình hình học mô tả sự sắp xếp có quy luật của các nguyên tử (phân tử) trong không gian (hình 1. + Ô cơ sở là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể (Hình 1. Trong thực tế để đơn giản chỉ cần biểu diễn mạng tinh thể bằng ô cơ sở của nó là đủ. Tuỳ theo loại ô cơ bản người ta xác định các thông số mạng.
Ví dụ như trên ô lập phương thể tâm (Hình 1.3) có thông số mạng là a là chiều dài cạnh của ô. Đơn vị đo của thông số mạng là Ăngstrong (Angstrom), ký hiệu: A 11 Hình 1. Cấu tạo mạng tinh thể - Các kiểu mạng tinh thể thường gặp: + Mạng lập phương thể tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và ở tâm của khối lập phương. Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Feα , Cr, W, Mo, V… Hình 1.