Giáo Trình Vật Liệu Cơ Khí Nghề Cắt Gọt Kim Loại

Giáo trình vật liệu cơ khí nghề cắt gọt kim loại cao đẳng trường cao đẳng dầu khí cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: ThS: Lê Anh Dũng
• Trường học: Trường Cao Đẳng Dầu Khí
• Chuyên ngành: Vật Liệu Cơ Khí
• Đề tài: Giáo Trình Vật Liệu Cơ Khí Nghề Cắt Gọt Kim Loại
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Bà Rịa-Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
• 1.1. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
• 1.2. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
• 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
• 2. CHƯƠNG 2: HỢP KIM SẮT - CÁC BON
• 2.1. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT- CACBON (Fe + C)
• 2.2. THÉP HỢP KIM
• 2.3. HỢP KIM CỨNG
• 3. CHƯƠNG 3: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN
• 3.1. HOÁ NHIỆT LUYỆN KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
• 4. CHƯƠNG 4: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU
• 4.1. ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI MÀU
• 4.2. NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM
• 4.3. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG
• 4.4. CÁC LOẠI KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU KHÁC
• 5. CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI
• 5.1. CÁC CHẤT DẺO THƯỜNG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Vật Liệu Cơ Khí Nghề Cắt Gọt Kim Loại

Giáo trình Vật liệu cơ khí nghề cắt gọt kim loại cao đẳng được biên soạn nhằm cung cấp kiến thức cơ bản về các loại vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí. Nội dung giáo trình không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ về tính chất của vật liệu mà còn hướng dẫn cách lựa chọn vật liệu phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể trong sản xuất. Việc nắm vững kiến thức này là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế trong quá trình sản xuất.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của giáo trình

Giáo trình nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cần thiết về vật liệu cơ khí, từ đó giúp họ có khả năng áp dụng vào thực tiễn sản xuất. Mục tiêu chính là nâng cao năng lực tự chủ và trách nhiệm trong công việc.

1.2. Cấu trúc nội dung giáo trình

Nội dung giáo trình được chia thành các chương, mỗi chương tập trung vào một khía cạnh cụ thể của vật liệu cơ khí, từ tính chất cơ bản đến ứng dụng thực tiễn trong ngành cắt gọt kim loại.

II. Thách thức trong việc lựa chọn Vật Liệu Cơ Khí

Việc lựa chọn vật liệu cơ khí phù hợp là một thách thức lớn trong ngành cắt gọt kim loại. Các yếu tố như tính chất cơ học, khả năng gia công và chi phí đều cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, việc lựa chọn sai vật liệu có thể dẫn đến hư hỏng sản phẩm và tăng chi phí sản xuất.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn vật liệu

Các yếu tố như độ bền, độ cứng, khả năng chống ăn mòn và tính dễ gia công là những yếu tố quan trọng cần xem xét khi lựa chọn vật liệu cho sản phẩm.

2.2. Hệ thống tiêu chuẩn trong lựa chọn vật liệu

Việc áp dụng các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế trong lựa chọn vật liệu giúp đảm bảo chất lượng và tính đồng nhất của sản phẩm. Các tiêu chuẩn này cung cấp thông tin chi tiết về các loại vật liệu và ứng dụng của chúng.

III. Phương pháp đánh giá tính chất Vật Liệu Cơ Khí

Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, việc đánh giá tính chất của vật liệu là rất cần thiết. Các phương pháp đánh giá này giúp xác định các đặc tính cơ học và lý hóa của vật liệu, từ đó đưa ra quyết định chính xác trong quá trình sản xuất.

3.1. Các phương pháp thử nghiệm cơ bản

Các phương pháp thử nghiệm như thử kéo, thử nén và thử độ cứng là những phương pháp phổ biến để đánh giá tính chất cơ học của vật liệu. Những phương pháp này giúp xác định độ bền và khả năng chịu tải của vật liệu.

3.2. Đánh giá tính chất lý hóa của vật liệu

Đánh giá tính chất lý hóa bao gồm việc kiểm tra khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy và tính dẫn nhiệt của vật liệu. Những thông số này rất quan trọng trong việc xác định khả năng ứng dụng của vật liệu trong sản xuất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Vật Liệu Cơ Khí trong ngành Cắt Gọt Kim Loại

Vật liệu cơ khí có vai trò quan trọng trong ngành cắt gọt kim loại. Việc lựa chọn đúng loại vật liệu không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn đến hiệu suất làm việc của máy móc. Các ứng dụng thực tiễn của vật liệu cơ khí rất đa dạng, từ sản xuất chi tiết máy đến chế tạo công cụ cắt.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất chi tiết máy

Vật liệu như thép và hợp kim nhôm thường được sử dụng để sản xuất các chi tiết máy có yêu cầu cao về độ bền và độ chính xác. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp giúp tăng tuổi thọ và hiệu suất của chi tiết máy.

4.2. Ứng dụng trong chế tạo công cụ cắt

Các công cụ cắt như dao phay, dao tiện thường được chế tạo từ các loại vật liệu có độ cứng cao và khả năng chịu nhiệt tốt. Điều này giúp nâng cao hiệu quả cắt gọt và giảm thiểu sự hao mòn của công cụ.

V. Kết luận và tương lai của Vật Liệu Cơ Khí trong ngành Cắt Gọt Kim Loại

Tương lai của vật liệu cơ khí trong ngành cắt gọt kim loại hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ mới. Việc nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu mới sẽ mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp này.

5.1. Xu hướng phát triển vật liệu mới

Các nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào việc phát triển các loại vật liệu nhẹ, bền và có khả năng chống ăn mòn tốt hơn. Những vật liệu này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Tác động của công nghệ đến vật liệu cơ khí

Công nghệ sản xuất tiên tiến như in 3D và công nghệ nano đang mở ra những khả năng mới trong việc chế tạo và ứng dụng vật liệu cơ khí. Những công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

THÔNG TIN THƯ MỤC VÀ GIỚI THIỆU HỌC THUẬT: GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU CƠ KHÍ

• Tên giáo trình: Giáo trình môn học: Vật liệu cơ khí
• Mã mô đun: MECM53002
• Cơ quan ban hành: Trường Cao đẳng Dầu khí – Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Quyết định số 204/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022)
• Tập thể biên soạn: ThS. Lê Anh Dũng (Chủ biên), Trần Kim Khánh, Đỗ Văn Thọ
• Địa điểm & Năm xuất bản: Bà Rịa - Vũng Tàu, 2022 (Lưu hành nội bộ)
• Số trang: 83 trang

---

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Vật liệu cơ khí (Mã mô đun: MECM53002) được biên soạn theo chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng nghề Cắt gọt kim loại của Trường Cao đẳng Dầu khí, đồng thời phục vụ khối ngành kỹ thuật như Cơ khí sửa chữa, Vận hành thiết bị khoan khai thác, Cơ khí chế tạo, Kỹ thuật hàn và Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí. Môn học có khối lượng 3 tín chỉ với tổng thời lượng 45 giờ (trong đó gồm 42 giờ lý thuyết và 3 giờ kiểm tra). Trong sơ đồ đào tạo, môn học được bố trí sau các môn chung/đại cương (Toán, Tin học COMP63006, An toàn vệ sinh lao động SAEN52001) và thuộc nhóm kỹ thuật cơ sở (cùng với Dung sai MECM53001, Vẽ kỹ thuật 1 MECM52003, Cơ kỹ thuật MECM64011), đóng vai trò tiên quyết trước khi người học tiếp cận các mô đun thực hành chuyên môn như Gia công trên máy tiện (MECC55131), Phay (MECC55134), Mài (MECC55136), Tiện CNC (MECC54133) hay Kỹ thuật hàn cơ bản (MECW53161).

Về mục tiêu học tập, tài liệu trang bị hệ thống kiến thức toàn diện:

• Trình bày bản chất cấu tạo tinh thể, các nhóm tính chất cơ bản (cơ học, vật lý, hóa học, công nghệ) và phương pháp đánh giá cơ tính vật liệu;
• Khai thác giản đồ trạng thái Sắt – Cacbon ($Fe-C$) nhằm giải thích tổ chức, thành phần và tính chất của các loại thép, gang;
• Phân tích nguyên lý và quy trình các phương pháp nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện;
• Cung cấp kiến thức cơ bản về kim loại màu, hợp kim màu và vật liệu phi kim loại (chất dẻo, cao su, composite).

Về kỹ năng, giáo trình rèn luyện khả năng nhận diện, giải mã ký hiệu mác thép, gang, hợp kim màu theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), tiêu chuẩn Nga (GOST) và tiêu chuẩn Hoa Kỳ (SAE, AISI, ASTM), từ đó xác lập căn cứ lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công tạo hình chi tiết máy. Cấu trúc giáo trình đi từ bản chất lý thuyết vi mô đến ứng dụng thực tiễn công nghiệp cơ khí, chú trọng tính quy chuẩn trong môi trường kỹ thuật hiện đại.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình phân chia nội dung học phần thành 5 chương với tiến trình tiếp cận logic:

• Chương 1: Khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim (9 giờ): Khái quát 4 nhóm tính chất chung (cơ tính: độ bền $\sigma$, độ cứng, độ dẻo $\delta%$, độ dai va đập $a_k$; lý tính: khối lượng riêng $\gamma$, nhiệt độ nóng chảy, tính giãn nở nhiệt, tính dẫn nhiệt, dẫn điện, từ tính; tính chất hóa học: chịu ăn mòn, chịu axit, chịu nhiệt; tính công nghệ: cắt gọt, hàn, rèn, đúc, nhiệt luyện). Phân tích cấu trúc mạng tinh thể (lập phương thể tâm BCC, lập phương diện tâm FCC, lục phương dày đặc HCP), hiện tượng biến đổi thù hình của sắt ($\delta, \gamma, \beta, \alpha$), quá trình kết tinh kim loại qua tâm mầm và tinh giới. Trình bày cấu trúc pha của hợp kim (dung dịch đặc xen kẽ/thay thế, hợp chất hóa học $Fe_3C$, hỗn hợp cơ học) và các phương pháp thí nghiệm cơ tính: thử kéo ($\sigma_b = \frac{P}{F_0}$), thử độ cứng (Brinell HB, Rockwell HRA/HRB/HRC, Vickers HV), thử độ dai va đập $a_k$ bằng mẫu Charpy và Izod.
• Chương 2: Hợp kim Sắt – Các bon (19 giờ bao gồm 1 giờ kiểm tra): Khai thác chi tiết giản đồ trạng thái $Fe - C$ ($Fe - Fe_3C$) qua các đường lỏng ABCD, đường rắn AHJEF, đường phản ứng cùng tinh ECF ($1147^\circ\text{C}$), đường phản ứng cùng tích PSK ($727^\circ\text{C}$), đường giới hạn hòa tan ES, GS, DQ. Định nghĩa 5 tổ chức pha cơ bản: Xêmentit ($Fe_3C$), Ostenit ($\gamma$), Ferit ($\alpha$), Peclit tấm/hạt ($P = [\alpha + Fe_3C]$), Ledeburit ($Le$). Khảo sát các điểm tới hạn $A_1, A_3, A_{cm}$ cùng ký hiệu nung nóng ($Ac$), làm nguội ($Ar$). Hệ thống hóa ảnh hưởng của các nguyên tố C, Si, Mn, P, S, chất khí ($O_2, N_2$) và phân loại thép cacbon (thông dụng: CT38; kết cấu: C45; dụng cụ: CD80A). Phân loại gang (gang trắng, gang xám GX15-32, gang cầu GC45-15, gang dẻo GZ33-8, gang biến tính). Khảo sát thép hợp kim: ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim (Cr, Ni, W, V, Si, Mn, Co, Mo); quy chuẩn ký hiệu mác thép kết cấu (15Cr, 12Cr2Ni3A), thép dụng cụ (90CrSi, OLCr1, thép gió P9, P18), đối chiếu với mác thép Liên Xô (40X, 9XC) và hệ thống phân loại SAE/AISI/ASTM của Hoa Kỳ.
• Chương 3: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện (6 giờ bao gồm 1 giờ kiểm tra): Trình bày cơ sở lý thuyết về sự chuyển biến pha khi nung nóng và làm nguội hợp kim sắt - cacbon. Nguyên lý và công nghệ các phương pháp nhiệt luyện thông dụng: tôi, ram, ủ, thường hóa nhằm thay đổi cơ tính. Trình bày các phương pháp hóa nhiệt luyện làm thay đổi thành phần hóa học và tổ chức bề mặt chi tiết (thấm cacbon bằng thùng thấm, thấm nitơ, thấm kim loại).
• Chương 4: Kim loại màu và hợp kim màu (7 giờ): Phân tích đặc điểm, cơ tính và phạm vi ứng dụng của kim loại màu. Khảo sát cấu trúc, tính chất, phân loại nhôm và hợp kim nhôm (hợp kim nhôm biến dạng, nhôm đúc duralumin, giản đồ trạng thái hệ hợp kim nhôm); đồng và hợp kim đồng (đồng thanh - brông, đồng thau - latông); cùng một số kim loại, hợp kim màu chuyên dụng khác.
• Chương 5: Vật liệu phi kim loại (4 giờ): Cung cấp các khái niệm cơ bản về cấu tạo, tính chất và phân loại các chất dẻo thường dùng trong công nghiệp (chất dẻo nhiệt dẻo, chất dẻo nhiệt rắn), cao su kỹ thuật và vật liệu composite.

Progression logic (Tiến trình phát triển logic) của giáo trình được triển khai chặt chẽ: Thiết lập nền tảng cấu trúc mạng nguyên tử và phương pháp đo lường cơ tính thực nghiệm (Chương 1) $\rightarrow$ Khảo sát nhiệt động học giản đồ pha và cơ sở vật liệu học hệ hợp kim sắt - cacbon (Chương 2) $\rightarrow$ Tác động công nghệ nhiệt luyện để biến đổi cơ tính (Chương 3) $\rightarrow$ Mở rộng sang hệ vật liệu kim loại màu (Chương 4) $\rightarrow$ Hoàn thiện với hệ vật liệu phi kim loại kỹ thuật (Chương 5).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống kiến thức nền tảng định lượng bao gồm:

• Lý thuyết kết tinh và biến đổi thù hình của mạng tinh thể kim loại nguyên chất và hợp kim;
• Nguyên lý cân bằng pha và chuyển biến pha rắn trên giản đồ trạng thái hai cấu tử $Fe - Fe_3C$;
• Cơ chế tạo thành các pha dung dịch rắn, hợp chất hóa học và hỗn hợp cơ học;
• Quy luật ảnh hưởng của thành phần hóa học (cacbon, nguyên tố hợp kim hóa, tạp chất có hại P, S) tới độ bền, độ dẻo, độ dai và tính công nghệ;
• Cơ sở dữ liệu và hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật mác vật liệu công nghiệp quốc gia và quốc tế.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật: Vận hành thiết bị thí nghiệm kiểm tra cơ tính (máy kéo nén thủy lực, máy đo độ cứng Brinell/Rockwell/Vickers, máy thử va đập con lắc đập rãnh V); tính toán giới hạn bền kéo $\sigma_b$, xác định độ cứng HB/HR/HV và tính công phá hủy $a_k$.
• Kỹ năng phân tích: Đọc hiểu đường cong nguội, tra cứu các điểm tới hạn ($A_1, A_3, A_{cm}$) trên giản đồ pha để xác định khoảng nhiệt độ nung tôi, ủ, ram cho từng mác thép cụ thể.
• Kỹ năng nghề nghiệp ứng dụng: Tra cứu danh mục tiêu chuẩn mác thép, gang, hợp kim màu; xác định đúng vật liệu tương đương giữa TCVN, GOST và SAE/AISI; lựa chọn vật liệu và phương pháp nhiệt luyện phù hợp với điều kiện làm việc (chịu mài mòn, chịu tải va đập, làm việc nhiệt độ cao) của chi tiết gia công cắt gọt.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình định hướng áp dụng phương pháp dạy học tích cực (Active Learning) trong môi trường đào tạo kỹ thuật công nghệ:

• Phương pháp giảng dạy (Pedagogical approach): Giảng viên đóng vai trò tổ chức, sử dụng kỹ thuật diễn giảng ngắn gọn, nêu vấn đề kỹ thuật gắn với thực tiễn xưởng gia công cơ khí, hướng dẫn người học đọc tài liệu tiêu chuẩn và giải quyết các bài tập tình huống kỹ thuật. Quá trình truyền đạt kết hợp mô hình học tập trực quan, giản đồ pha, video mô phỏng quá trình kết tinh và thiết bị trình chiếu (Projector).
• Bài tập và tình huống (Case studies & Practical exercises): Cuối mỗi chương đều tích hợp hệ thống câu hỏi thảo luận và bài tập ứng dụng (ví dụ: giải thích ý nghĩa sự biến đổi mạng tinh thể của sắt ở các mức nhiệt độ $1539^\circ\text{C}, 1392^\circ\text{C}, 911^\circ\text{C}, 768^\circ\text{C}$; phân tích ảnh hưởng của hàm lượng cacbon và tạp chất P, S đến tính công nghệ của thép; bài tập phân biệt và tra cứu tính năng của các mác thép kết cấu C45 so với CT38 hoặc thép dụng cụ CD80A, 90CrSi). Người học thực hiện bài tập theo hình thức cá nhân hoặc làm việc nhóm từ 4-6 thành viên để thảo luận, xử lý tình huống kỹ thuật và lập báo cáo chuyên đề.
• Phương pháp kiểm tra và đánh giá (Assessment methods): Thực hiện theo Quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội:
  • Điểm kiểm tra thường xuyên và định kỳ (Trọng số 40%): Bao gồm 1 điểm kiểm tra thường xuyên (hình thức hỏi miệng/viết/trắc nghiệm sau 15 giờ học) và 1 điểm kiểm tra định kỳ (viết/trắc nghiệm/báo cáo thực hành sau 15 giờ tiếp theo);
  • Điểm thi kết thúc môn học (Trọng số 60%): Tổ chức sau 45 giờ đào tạo bằng hình thức thi tự luận kết hợp trắc nghiệm hoặc báo cáo/thực hành, đánh giá tổng hợp các chuẩn đầu ra kiến thức (A1-A5), kỹ năng (B1-B5) và năng lực tự chủ, trách nhiệm (C1-C3);
  • Quy chuẩn điểm: Đánh giá theo thang điểm 10 (làm tròn 1 chữ số thập phân), tính tổng điểm theo trọng số và quy đổi sang điểm chữ, thang điểm 4 theo quy định đào tạo tín chỉ.
• Hướng dẫn tự học (Self-study guidelines): Người học bắt buộc chủ động đọc trước nội dung giáo trình tại nhà trước mỗi buổi học; khai thác nguồn tài liệu bổ trợ tại thư viện; tham gia tối thiểu 70% tổng thời lượng lý thuyết (vắng quá 30% số tiết lý thuyết bắt buộc phải học lại môn học); nghiêm túc tuân thủ an toàn lao động và kỷ luật xưởng thực hành.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Cơ sở biên soạn gắn liền thực tiễn sản xuất cơ khí: Giáo trình được xây dựng trên cơ sở khảo sát thực tế sản xuất cơ khí và công nghiệp dầu khí tại Việt Nam, tích hợp kinh nghiệm giảng dạy môn vật liệu học từ các trường đại học kỹ thuật trong nước.
• Quy chuẩn hóa hệ thống mác vật liệu đa tiêu chuẩn: Tài liệu xử lý triệt để bài toán nhận diện vật liệu trong thực tế sản xuất cơ khí: ưu tiên trình bày hệ thống ký hiệu theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1765-75), đồng thời đối chiếu trực tiếp với các mác thép, gang tương đương theo tiêu chuẩn Nga (GOST) – vốn quen thuộc và phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo Việt Nam – cùng hệ thống phân loại 4 chữ số SAE, tiêu chuẩn AISI và ASTM của Hoa Kỳ.
• Tính đồng bộ với dây chuyền công nghệ gia công cắt gọt: Các thông số cơ tính (độ bền, độ cứng HB, HRC, độ dai va đập) và tính công nghệ (tính cắt gọt, tính nhiệt luyện, tính hàn, tính đúc, tính rèn) được diễn giải trực tiếp thành tiêu chí lựa chọn vật liệu làm phôi hoặc làm dụng cụ cắt (thép cacbon dụng cụ CD70–CD130, thép hợp kim dụng cụ 90CrSi, thép gió P9, P18, hợp kim cứng).
• Tích hợp nguồn tài liệu tham khảo chuyên sâu: Giáo trình kế thừa và trích dẫn trực tiếp các công trình học thuật uy tín của ngành cơ khí - vật liệu Việt Nam:
  1. Trần Mão, Phạm Đình Sùng (1998), Vật liệu cơ khí, NXB Giáo dục;
  2. Hoàng Trọng Bá (2007), Vật liệu phi kim loại, NXB Giáo dục;
  3. Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức (2002), Vật liệu Composite, NXB Khoa học & Kỹ thuật;
  4. Hoàng Tùng (2005), Vật liệu & công nghệ kim loại, NXB Giáo dục.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Học sinh, sinh viên:
  • Trình độ đào tạo: Cao đẳng và Trung cấp nghề.
  • Ngành/Nghề áp dụng: Cắt gọt kim loại, Cơ khí chế tạo máy, Cơ khí sửa chữa, Vận hành thiết bị khoan khai thác, Kỹ thuật Hàn, Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí.
  • Giai đoạn học tập: Đào tạo tại học kỳ cơ sở (năm thứ nhất hoặc đầu năm thứ hai), sau khi hoàn thành các môn chung và trước khi học các mô đun thực hành chuyên ngành máy công cụ.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites):
  • Khối kiến thức văn hóa phổ thông và đại cương về Vật lý (từ tính, điện tích, truyền nhiệt), Hóa học (phản ứng oxy hóa khử, liên kết hóa học, kim loại và phi kim);
  • Các môn kỹ thuật cơ sở song hành: Tin học cơ bản (COMP63006), An toàn vệ sinh lao động (SAEN52001), Dung sai lắp ghép và đo lường kỹ thuật (MECM53001), Vẽ kỹ thuật cơ khí (MECM52003).
• Giảng viên chuyên ngành cơ khí:
  • Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính thức theo chương trình đào tạo của Trường Cao đẳng Dầu khí;
  • Căn cứ chuẩn hóa đề cương bài giảng, thiết kế câu hỏi kiểm tra đánh giá thường xuyên, định kỳ và đề thi kết thúc mô đun MECM53002.
• Cán bộ kỹ thuật và người tự học:
  • Kỹ thuật viên, thợ tiện, thợ phay, thợ hàn tại các nhà máy, xí nghiệp cơ khí - dầu khí sử dụng làm sổ tay tra cứu nhanh tính chất cơ lý hóa, quy cách mác vật liệu và chế độ nhiệt luyện khi lập phương án gia công cơ khí.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp cho đối tượng người học nào?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho học viên, sinh viên hệ Cao đẳng và Trung cấp thuộc các nghề Cắt gọt kim loại, Cơ khí chế tạo, Hàn, Cơ khí sửa chữa và Vận hành thiết bị chế biến, khai thác dầu khí.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học môn này?

Người học cần hoàn thành khối kiến thức văn hóa về Hóa học và Vật lý phổ thông, đồng thời nắm vững kiến thức các môn học chung/đại cương (Tin học, An toàn lao động) và các môn kỹ thuật cơ sở như Vẽ kỹ thuật và Dung sai.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu lý thuyết vật liệu thông thường là gì?

Giáo trình tập trung phục vụ trực tiếp cho nghề Cắt gọt kim loại và công nghệ chế tạo cơ khí: tinh giản các phép chứng minh lý thuyết phức tạp, tập trung phân tích các phương pháp thử cơ tính thực tế, quy cách mác thép theo TCVN đối chiếu song song với chuẩn GOST (Nga) và SAE/AISI (Mỹ), đồng thời làm rõ mối liên hệ giữa tổ chức tế vi và chế độ nhiệt luyện gia công.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học cần nghiên cứu trước nội dung từng chương tại nhà, tham gia đầy đủ từ 70% số tiết giảng lý thuyết trên lớp, kết hợp làm việc nhóm 4-6 người để hoàn thành các câu hỏi thảo luận, bài tập tình huống tra cứu mác vật liệu và chủ động đối chiếu kiến thức lý thuyết khi thực tập tại xưởng máy công cụ.

5. Giáo trình có những tài liệu tham khảo và học liệu bổ trợ nào kèm theo?

Tài liệu cung cấp danh mục hình vẽ sơ đồ máy kéo nén, máy đo độ cứng (Brinell, Rockwell, Vickers), máy đập va đập, giản đồ pha $Fe-C$, sơ đồ nhiệt luyện; đồng thời định hướng tham khảo các tài liệu chuyên sâu của GS. TSKH. Nguyễn Hoa Thịnh, PGS. TSKH. Nguyễn Đình Đức (về Composite), PGS. Trần Mão, TS. Phạm Đình Sùng, ThS. Hoàng Tùng (về Vật liệu cơ khí và công nghệ kim loại).

---

Kết luận

Giáo trình Vật liệu cơ khí (Mã mô đun: MECM53002) do Trường Cao đẳng Dầu khí ban hành năm 2022 là tài liệu học tập kỹ thuật cơ sở xác lập hệ thống kiến thức chuẩn mực về cấu tạo tinh thể, tính chất cơ - lý - hóa - công nghệ, phương pháp đánh giá cơ tính, giản đồ pha $Fe - C$, công nghệ nhiệt luyện và bảng phân loại mác kim loại, hợp kim, phi kim loại kỹ thuật.

Tài liệu thiết lập cầu nối lý thuyết - thực hành trong lộ trình đào tạo nghề Cắt gọt kim loại, tạo nền tảng để người học tiếp thu các mô đun công nghệ chuyên sâu (Gia công tiện MECC55131, Gia công phay MECC55134, Gia công mài MECC55136, Gia công CNC MECC54133/MECC54135 và Thực tập sản xuất MECM54210). Để mở rộng chuyên môn, người học được khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu các tài liệu chuyên khảo về Vật liệu Composite (NXB KH&KT) và Vật liệu phi kim loại (NXB Giáo dục) đã được trích dẫn trong danh mục tham khảo của giáo trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 1. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Kim loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, máy móc. Tuy nhiên, khi sử dụng chế tạo chúng cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn kim loại và hợp kim thích hợp, bảo đảm chất lượng và tính kinh tế của sản phẩm. Muốn vậy phải nắm được các tính chất của chúng.

Thông thường kim loại và hợp kim được đánh giá bằng các tính chất cơ bản sau đây. Cơ tính Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu được tác động của các loại tải trọng. Các đặc trưng đó bao gồm: Độ bền: Là khả năng của kim loại chịu được tác động của ngoại lực mà không bị phá hủy. Độ bền được ký hiệu bằng chữ  (xích ma).

Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực ta có các độ bền sau: độ bền kéo (k), độ bền nén (n), độ bền uốn (u) Khi chế tạo ra một loại vật liệu, độ bền được xác định ngay trong phòng thí nghiệm theo các mẫu ứng với các tải trọng tác động.1 giới thiệu sơ đồ mẫu đo độ bền kéo khi đặt ngoại lực P (N) lên một thanh kim loại có tiết diện mặt cắt ngang Fo (mm2). Trang 14/83 Lực P tăng dần đến khi mẫu đứt, khi đó. Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo Giá trị độ bền được tính theo công thức. P k = (N/mm2) F0 Như vậy tại thời điểm khi lực P đạt đến một giá trị nào đó làm cho thanh kim loại bị đứt sẽ ứng với giới hạn bền kéo của vật liệu đó.

Tương tự ta có thể đo được độ bền nén và độ bền uốn. Đơn vị đo độ bền được tính bằng: N/mm2; KN/m2; MN/m2 Độ cứng: Là khả năng của vật liệu chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén, vết lõm biến dạng trên mẫu đo càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu kim loại đó càng kém. Đo độ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hỏng chi tiết.

Độ cứng có thể đo bằng nhiều phương pháp, nhưng đều dùng tải trọng nén thông qua viên bi bằng thép đã nhiệt luyện cứng hoặc mũi kim cương hình nón hay hình chóp ép lên bề mặt của vật liệu muốn thử, đồng thời xác định kích thước vết lõm in trên bề mặt vật liệu đó. VD: đo độ cứng bằng viên bi (gọi là phương pháp Brinen). Để đo độ cứng Brinen người ta dùng tải trọng P để ấn biên bi bằng thép đã nhiệt luyện, có đường kính D lên bề mặt vật liệu muốn thử (hình 1.2) Trang 15/83 Sơ đồ phương pháp đo độ cứng Brinen Độ cứng Brinen được tính theo công thức: P HB = F Trong đó: F - diện tích mặt cầu của vết lõm (mm2) P - tải trọng nén vào viên bi (N) HB - Độ cứng Brinen (N/mm2) Độ cứng HB dùng kiểm tra các vật liệu có độ cứng không lớn hơn 450 (kN/m2) Độ giãn dài tương đối (δ%): Là tỷ lệ tính theo phần trăn giữa lượng giãn dài sau khi kéo và chiều dài ban đầu. Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng thay đổi đột ngột (hay gọi là tải trọng va đập).

Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đó mà không bị phá hủy gọi là độ dai va chạm. Ký hiệu là ak đơn vị là (J/mm2) hay (kJ/m2). Lý tính Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của kim loại đó không thay đổi. Lý tính cơ bản của kim loại gồm có : khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính dãn nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính.

Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 cm3 vật chất. Nếu gọi m là khối lượng của vật chất, V là thể tích của vật chất,  là khối lượng riêng của vật chất, thì ta có công thức: m = (g /cm3) V Trang 16/83 Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó không những dùng để so sánh kim loại nặng nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu, mà còn giải quyết được một số vấn đề thực tế. Ví dụ, những vật lớn như thép đường ray, thép hình rất khó cân được khối lượng, nhưng vì biết được khối lượng riêng và có thể đo được kích thước mà tính ra thể tích nên có thể không cần cân chỉ dùng công thức tính ra khối lượng của chúng. Nhiệt độ nóng chảy: Là nhiệt độ nung nóng đến đó thì làm cho kim loại từ thể rắn trở thành thể lỏng.

Sắt nguyên chất chảy ở nhiệt độ 15390C. Điểm chảy của gang là 1130-13500C (do hàn lượng C trong gang quyết định). Điểm chảy của thép là 1400- 15000C (do hàn lượng C trong thép quyết định). Tính chất này rất quan trọng đối với công nghiệp chế tạo cơ khí, vì phương pháp chế tạo các chi tiết máy rẻ nhất là phương pháp đúc, nhưng khi dùng phương pháp đúc thì kim loại cần có tính chảy loãng tốt.

Tính chảy loãng của kim loại ở thể lỏng tốt hay xấu do nhiệt độ nóng chảy của kim loại quyết định, nhiệt độ nóng chảy của kim loại càng thấp thì kim loại có tính chảy loãng càng tốt. Tính giãn nở nhiệt: Là khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng. Độ giãn nở lớn hay bé có thể biểu thị bằng hệ số giãn nở trên chiều dài của đơn vị (1mm) gọi là hệ số giãn nở theo chiều dài. Ví dụ, hệ số dãn nở theo chiều dài của sắt nguyên chất là 0,0000118, của thép là 0,0000120.

Tính dẫn nhiệt: Là khả năng dẫn nhiệt của kim loại. Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không giống nhau. Kim loại có tính chất dẫn nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng như càng dễ nguội nhanh. Các vật có tính dẫn nhiệt kém muốn đốt nhanh hoàn toàn phải mất nhiều thời gian và nếu làm nguội quá nhanh thì có thể gây ra nứt vỡ.

Đơn vị đo tính dẫn nhiệt được biểu thị bằng kcalo/m/giờ độ. Trong thực tế người ta thường so sánh tính dẫn nhiệt giữa kim loại này với một kim loại khác lấy làm tiêu chuẩn. Ví dụ : Bạc là kim loại có tính dẫn nhiệt tốt nhất lấy là 1 đơn vị, thì các kim loại khác có thể so sánh như sau Trang 17/83 Ag Cu Al Fe Hg 1 0,9 0,5 0,15 0,02 Al, Cu có tính dẫn nhiệt gần băng nhau, gấp 2 lần nhôm, gấp 6 lần sắt. Tính dẫn điện: Tính dẫn điện là khả năng truyền dòng điện của kim loại.

Kim loại đều là vật dẫn điện tốt, nhất là bạc sau đó đến đồng và nhôm. Nhưng do bạc là nguyên tố đắt tiền nên trong kỹ thuật kim loại được dùng nhiều nhất để làm dây dẫn điện là đồng và nhôm. Các kim loại có tính dẫn điện nhiệt tốt thì dẫn điện cũng tốt. Hợp kim nói chung có tính dẫn điện kém hơn so với kim loại.

Nhiệt dung: Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên một độ C. Nhiệt dung của kim loại càng lớn tức là tốn nhiệt lượng cần nhiều mới đốt nóng vật đó lên được. Tính nhiễm từ: là khả năng dẫn từ của kim loại. Chỉ có một số kim loại có từ tính, tức là nó bị từ hóa sau khi đặt trong một từ trường.

Fe, Ni và Co và hầu hết các hợp kim nó đều có từ tính thể hiện rất rõ rệt nên được gọi là kim loại từ tính. Còn hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm từ. Tính chất hóa học: Là độ bền của kim loại và hợp kim đối vói những tác dụng hóa học của các chất khác như: oxi, nước, axit v.v mà không bị phá hủy. Tính chất hóa học cơ bản của kim loại và hợp kim được biểu thị ở 3 dạng chủ yếu sau.

Tính chịu ăn mòn: Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường xung quanh như: hơi nước hay oxy của không khí ở nhiệt độ thường hoặc ở nhiệt độ cao. Tính chịu axít: Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của axít. Tính chịu nhiệt: Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của ôxi trong không khí ở nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng hoặc thể khí ở nhiệt độ cao. Tính công nghệ: Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại và hợp kim bằng các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm, tính công nghệ bao gồm: Tính cắt gọt: Là khả năng của kim loại gia công cắt gọt dễ hay khó, được xác định bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt gọt.

Tính hàn: Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử hàn khi nung nóng cục bộ tại chỗ mối hàn cho đến trạng thái chảy hoặc dẻo. Tính rèn: Là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác dụng bên ngoài để tạo thành hình dạng của chi tiết mà không bị phá hủy. Tính đúc: Xác định bởi độ chảy loãng của kim loại khi nấu chảy để đổ đầy vào khuôn đúc, độ co và tính thiên tích (thiên tích là độ không đồng nhất về thành phần hóa học trong từng phần của vật đúc và trong nội bộ của kim loại và hợp kim) Tính nhiệt luyện: Là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo. của kim loại, bằng cách nung nóng kim loại tới nhiệt độ nhất định giữ ở nhiệt độ đó một thời gian, rồi sau đó làm nguội kim loại theo một chế độ nhất định.

CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 1. Cấu tạo của kim loại nguyên chất Khác với vật liệu phi kim loại có cấu tạo định hình, kim loại có cấu tạo tinh thể. Trong một đơn vị tinh thể xét ở trạng thái rắn, các nguyên tử kim loại phân bố theo một quy luật nhất định. Tùy thuộc vào kim loại và các điều kiện bên ngoài, mỗi đơn tinh thể đặc trưng cho kim loại đó có các nguyên tử sắp xếp theo một trật tự riêng dưới dạng hình học xác định.

Người ta gọi đó là mạng tinh thể. Nhiều mạng tinh thể sắp xếp thành mạng không gian. Mỗi nút mạng được coi là tâm của các nguyên tử (hình 1. Mạng tinh thể không gian đó gọi là đơn tinh thể.

Mỗi mạng tinh thể có đặc trưng riêng.