CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM. Để xây dựng và phát triển nền kinh tế quốc dân vững mạnh cần phát triển công nghiệp nặng, trong đó ngành chế tạo máy cơ khí là then chốt. Để chế tạo máy móc thiết bị cơ khí phải có vật liệu, trong đó kim loại là vật liệu chủ yếu.
Sở dĩ kim loại được sử dụng là vật liệu chủ yếu của ngành chế tạo cơ khí bởi nó có nhiều tính chất tham số, đặc điểm quan trọng ưu việt hơn hẳn so với các loại vật liệu khác. Không thể có máy móc thiết bị nếu không có kim loại và hợp kim. Lấy một máy tiện làm ví dụ, ta thấy: Bàn máy làm bằng gang, các trục chính máy tiện ,máy phay, máy bào. bánh răng của máy đều làm bằng thép cacbon hoặc thép hợp kim, các ổ trượt băng hợp kim đồng, các ổ bi làm bằng thép hợp kim IIIX – 15.
Qua ví dụ ta thấy hầu hết các chi tiết máy đều làm bằng kim loại hoặc hợp kim của chúng. Cho đến nay loài người đã biết được hơn 108 nguyên tố hoá học, trong đó kim loại chiếm 84 nguyên tố. Kim loại chứa nhiều nhất trong vỏ quả đất là nhôm gồm 7% sau đó là sắt 5%. Ngày nay, ngành công nghiệp vật liệu phát triểm mạnh mẽ với nhiều loại tự nhiên và nhân tạo khác nhau như: gỗ, sứ, thuỷ tinh, chất dẻo.với tính năng ngày càng tốt, sản lượng ngày càng cao nhưng không thể thay thế hoàn toàn kim loại và hợp kim.
Do vậy song song với việc nghiêm cứu các loại vật liệu phi kim loại mới để thay thế kim loại, người ta vẫn tiến hành nghiên cứu nhưng kim loại và hợp kim mới có nhiều tính năng ưu việt hơn như: nhẹ, bền, chịu ăn mòn, chịu nhiệt, chịu va đập. Việc nghiên cứu và sản xuất các loại gang thép vẫn được coi trọng trong công nghiệp vật liệu nói riêng và trong nền kinh tế quốc dân nói chung, đối với tất cả các nước có công nghiệp phát triển. Bên cạnh gang và thép là hai vật liệu chính của công nghiệp chế tạo, thì nhôm và Titan cùng các hợp kim của nó cũng là những loại vật liệu được sử dụng ngày càng nhiều và là những vật liệu của ngành công nghiệp hiện đại trong tương lai.2 CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM.1 Cấu tạo nguyên tử của kim loại 1.1- Định nghĩa kim loại: Kim loại là vật thể sáng có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao. Bất cứ kim loại nào ở bề mặt nhẵn bóng khi chưa bị ôxy hoá cũng đều có ánh kim, phần lớn kim loại dẻo có thể gia công kim loại bằng áp lực.
Cá biệt có một số kim loại không rèn được vì tính dòn của nó như: Ăngtimoan (Sb), Ce (Xeri) và Pr (Prafêôdin) có tính dẫn điện kém.2- Đặc điểm cấu tạo của nguyên tử kim loại Kim loại cũng như các vật chất khác đều do các nguyên tử tạo thành. Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm: Hạt nhân mang điện tích dương nằm ở giữa các điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn và theo quỹ đạo hình Elip. Sự phân bố điện tử theo các mức năng lượng: 1s2 2s2 2p6 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 thường điện tử ở lớp ngoài cùng từ 0 đến 8. Đối với các nguyên tử kim loại ở lớp ngoài cùng thường có tử 1 đến 2 điện tử các điện tử này dễ bị bứt ra và trở thành điện tử tự do còn nguyên tử trở thành Ion dương và đó chính là sự khác nhau chủ yếu giữa kim loại và chất phi kim loại.
Ví dụ: Nguyên tử Cu có số điện tử Z = 29 sự phân bố điện tử sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 - Nguyên tử Mg có số điện tử Z = 12 sự phân bố điện tử sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 - Nguyên tử Cl với số nguyên tử Z = 17 sự phân bố điện tử sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 1.2 – Cấu tạo tinh thể của kim loại.1- Mạng tinh thể: Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể. Tức là các nguyên tử của nó sắp xếp trong không gian theo một vị trí hình học nhất định chứ không hỗn độn như các vật liệu khác (hình 1-1) a 1.2- Ô cơ bản Hình 1- 1 Hình 1- 2 5 là phần nhỏ bé nhất đặc trưng cho cho một kiểu mạng tinh thể nào đó gọi là ô cơ bản (hình 1.3- Thông số của mạng Là khoảng cách giữa tâm của 2 nguyên tử gần nhau nhất dơn vị đo bằng A o (đọc là ăngtrôn) 1 = cm .4- Ba kiểu mạng tinh thể thường gặp trong kim loại nguyên chất a. Kiểu mạng Lập phương thể tâm Ô cơ bản của mạng này là hình lập phương có 9 nguyên tử, 8 nguyên tử nằm ở 8 đỉnh, 1 nguyên tử nằm ở tâm của hình.3 Kim loại này thuộc kiểu mạng này gồm: Sắt , Crôm, Vônfram, Môlipđen, Hình 1- 3 Vanađi. Kiểu mạng Lập phương diện tâm.
Ô cơ bản của kiểu mạng này có 14 nguyên tử, 8 nguyên tử nằm ở 8 đỉnh còn 6 nguyên tử nằm ở trung tâm của 6 mặt của hình lập phương. Các kim loại thuộc kiểu mạng này là: Fe, Cu, Ni, Pb, Au, Al. Kiểu mạng Lục phương dày đặc Ô cơ bản của kiểu mạng này là hình lăng trụ đáy lục giác đều có 17 nguyên tử, trong đó 12 nguyên tử nằm ở 12 đỉnh (nút mạng) 2 nguyên tử nằm ở tâm 2 mặt đáy trên và dưới, 3 nguyên tử nằm ở trung tâm ở 3 khối c lăng trụ tam giác cách nhau (hình 1-5) Các kim loại thuộc kiểu mạng này là: Zn, Mg, Ti, Be.5- Tính thù hình kim loại. Khá nhiều kim loại có đặc tính là: ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau một nguyên tố có thể tồn tại với những kiểu mạng tinh thể hoặc thông số mạng khác nhau.
Tính chất này được gọi là tính thù hình. 1539 1392 NhiÖt ®é °C 911 Thêi gian Hình 1- 6 Những kiểu mạng tinh thể khác nhau của cùng một kim loại được gọi là các dạng hình thù. Sắt là kim loại có tính thù hình ở nhiệt độ dưới 911 0C và từ 13920C đến 15390C (là nhiệt độ chảy) nó có mạng lập phương thể tâm, còn trong khoảng 911 0C – 13920C có mạng lập phương diện tâm (hình 1.6 ) Các dạng thù hình của cùng một nguyên tố được ký hiệu bằng các chữ cái Hylạp . trong đó là dạng tồn tại ở nhiệt độ thấp nhất, còn lần lượt ở nhiệt độ cao hơn.
Ví dụ: Nung sắt tới 9110C có sự chuyển biến Fe (Thể tâm có Mv=68%) sang Fe (diện tâm có Mv=74%) thể tích giảm đi đột ngột. Khi làm nguội quá trình ngược lại.3- Cấu tạo của hợp kim 1.1- Khái niệm về hợp kim. Định nghĩa: Nếu đem kim loại nóng chảy hay thiêu kết (nung nóng ở trạng thái rắn để dính kết) với một hay nhiều nguyên tố khác ( là kim loại hay á kim) để được vật liệu mới có tính chất kim loại thì vật liệu mới đó gọi là hợp kim. Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại.
Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại.2- Các dạng cấu tạo của hợp kim. Dung dịch đặc: Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của nguyên tố thành phần có kích thước gần giống nhau. Khi kết tinh các hợp kim này tạo thành mạng tinh thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần. - Dung dịch đặc có 2 loại: + Dung dịch đặc thay thế: là một số nguyên tử của nguyên tố hoà tan đẩy một số nguyên tử của nguyên tử cơ bản để chiếm chỗ.
Ni Hình 1- 7 Hình 1- 8 Ví dụ: Dung dịch đồng kẽm, nguyên tử của kẽm đẩy nguyên tử của đồng ra khởi nút mạng để chiếm chỗ (hình 1.7) + Dung dịch xen kẽ: Nguyên tử của nguyên tố hoà tan. Nằm xen kẽ vào các khoảng chống giữa các nút mạng tinh thể của nguyên tố dung môi (hình 1-8). Đồng thanh, đồng thau đều có cấu tạo là dung dịch đặc: b. Hợp chất hoá học.
Hợp kim có cấu tạo là hợp chất hoá học. Khi nguyên tử của các nguyên tố khác nhau tác dụng hoá học với nhau theo tỷ lệ chính xác, Tạo nên một hợp chất mới có kiểu mạng và thành phần hoá học xác định, biểu diễn bằng một công thức hoá học. Ví dụ: Hợp chất của Sắt và Cacbon 3Fe + C = Fe3C (Các bít sắt) c. Hỗn hợp cơ học.
Hợp kim có cấu tạo hỗn hợp cơ học, khi nguyên tử của các nguyên tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạng tinh thể. Các nguyên tử của mỗi nguyên tố sẽ tụ tập thành những hạt riêng rẽ. Phân biệt rõ rệt được trên tổ chức tế vi: Ví dụ: P = Fe + Xê là hỗn hợp cơ học. CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM: Bao gồm 4 tính: - Tính chất vật lý - Tính chất hoá học - Tính chất cơ học - Tính chất công nghệ 1.
Tính chất vật lý: 1. Vẻ sáng mặt ngoài Theo vẻ sáng mặt ngoài của kim loại có thể chia kim loại thành kim loại đen, kim loại màu. Ví dụ: Sắt và hợp kim của sắt, gang, là hợp kim đen, đồng, nhôm .là kim loai màu, đồng thau, đồng thanh là hợp kim màu. Trọng lượng riêng Là trọng lượng của vật trên một đơn vị thể tích của vật.
Trong đó: d là trọng lượng riêng của vật đơn vị G/cm3 P là trọng lượng của vật tính bằng G V là thể tích của vật tính bằng cm3 1. Tính nóng chảy Kim loại có tính nóng chảy loãng khi đốt nóng và đặc lại khi nguội. Nhiệt độ ứng với kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy (nhiệt độ nóng chảy) Sắt có nhiệt độ nóng chảy 15390C, đồng 10830C. Tính giãn nở về nhiệt Khi đốt nóng thì kim loại giãn nở ra, nguội lạnh nó co lại.
Sự giãn nở này cần phải đặc biệt chú ý trong nhiều trường hợp cụ thể. Ví dụ: Đối với cầu làm bằng thép, ta phải tính đến sự giãn nở của vật liệu tuỳ theo nhiệt độ của các mùa. Sự giãn nở của các vật liệu không giống nhau. Tính dẫn nhiệt Là tính chất truyền nhiệt của kim loại khi bị nung nóng hoặc làm lạnh.
Kim loại có tính truyền nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng như càng dễ làm nguội nhanh.