Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 1. Mục tiêu - Hiểu được tầm quan trọng của kim loại và hợp kim - Nêu được tính chất chung của kim loại và hợp kim - Nhận biết, phân biệt được kim loại và hợp kim. - Rèn luyện tính tích cực, tư duy, sáng tạo trong học tập 2. Nội dung chương: Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim 2.
Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim Để xây dựng và phát triển nền kinh tế quốc dân vững mạnh cần phải phát triển công nghiệp nặng , trong đó ngành chế tạo cơ khí là quan trọng nhất. - Để chế tao các loại máy móc thiết bị cơ khí phải có vật liệu , trong đó kim loại là vật liêu chủ yếu. Sở dĩ kim loại là vật liệu được sử dụng chủ yếu của ngành chế tạo cơ khí bởi nó có nhiều tính chất và ưu điểm quan trọng , ưu việt hơn hẳn so với các loại vật liệu khác. - Ngày nay , ngành công nghiệp vật liệu phát triển mạnh mẽ với nhiều loại vật liệu khác nhau như : Gỗ , thuỷ tinh , chất dẻo ,.
Với các tính năng ngày càng tốt và sản lượng ngày càng cao , nhưng vẫn không thay thế hoàn toàn được cho kim loại và hợp kim. - Do đó , bên cạnh việc nghiên cứu thay thế các kim loại và hợp kim bằng các vật liệu phi kim loại có tính năng thích ứng , người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu để tìm ra những kim loại và hợp kim có những tính năng ưu việt như : Nhẹ, bền , chịu ăn mòn , chịu nhiệt , chịu va đập ,. * Việc nghiên cứu và sản xuất các loại gang , thép vẫn là trọng tâm của công nghiệp vật liệu nói riêng và của nền kinh tế quốc dân nói chung đối với tất cả các nước có nền công nghiệp phát triển. Cấu tạo kim loại và hợp kim Khái niệm về kim loại: Kim loại là vật liệu sáng dẻo có thể rèn được, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao.
Phương diện hóa học kim loại là nguyên tố dễ nhường điện tử trong các phản ứng hóa học 2. Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại - Trong kim loại các kim loại được sắp xếp một cách trật tự tuần hoàn trong không gian. - Các nguyên tử trong kim loại được sắp xếp một cách có trật tự các nguyên tử đều nằm trên mặt phẳng song song cách đều gọi là mặt tinh thể , tập hợp vô số những mặt tinh thể như thế nó lập thành mạng tinh thể. 6 - Toàn bộ mạng không gian có thể xem như được tạo thành những hình khối nhỏ nhất đơn giản giống nhau mà cách sắp xếp các phân tử là đại diện chung cho toàn mạng những ô như vậy gọi là ô cơ bản.
Cấu tạo mạng tinh thể 2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp a a. Mạng lập phương thể tâm Trong các ô cơ bản kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có một nguyên tử. - Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể, gọi là thông số mạng.
Độ lớn đo bằng A ( Ángtrong ) 1A = 10 cm. - Các kim loại có kiểu mạng này: Fe, Cr, Mo, W,. Lập phương thể tâm b. Mạng lập phương diện tâm khối a a a 7 - Các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập phương.
- Trong mạng tinh thể gồm 14 nguyên tử trong đó 8 nguyên tử nằm ở nút mạng, 6 nguyên tử nằm ở giữa các mặt. - Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt: 8 + 6 = 14 Các kim loại: Feγ, Cu, Ni, Al, Pb… có kiểu mạng lập phương diện tâm. Mạng lục phương dày đặc c a Hình 1. Mạng lục giác xếp chặt Bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt đáycủa hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối trung tâủ khối lăng trụ tam giác cách nhau.
Khối cơ bản kiểu mạng này như gồm bởi 3 lớp nguyên tử xếp sít nhau, các ngtử lớp đáy dưới xếp sít nhau rồi đến 3 ngtử ở giữa xếp vào khe lõm của lớp đáy do đó chúng cũng xếp sít nhau, các ngtử lớp đáy trên lại xếp vào các khe lõm của lớp giữa nhưng có vị trí trùng với vị trí lớp đáy dưới - Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt: 2.6 + 2 + 3 = 17 - Số nguyên tử của ô cơ bản trong mạng tinh thể: 12.1/2 + 3 = 6 - Các kim loại có kiểu mạng này là: Be, Mg, Ti, Co. Định nghĩa Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hay thiêu kết (luyện tinh bột) của 2 hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại để được vật liệu mới có tính kim loại. Ví dụ: 8 - Thép, gang là hợp kim của Sắt, Các bon và một số nguyên tố khác - Đồng thau là hợp kim của Đồng và Kẽm. Các đặc tính của hợp kim Sở dĩ hợp kim được sử dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí là vì nhiều mặt nó có ưu việt hơn kim loại nguyên chất.
- Hợp kim có cơ tính cao hơn kim loại nguyên chất: Vật liệu chế tạo cơ khí phải có cơ tính cao, về phương diện này là hợp kim hơn hẳn kim loại nguyên chất. Kim loại nguyên chất có độ bền, độ cứng thấp, không thích hợp để chế tạo các chi tiết máy. Còn hợp kim nói chung có độ bền, độ cứng cao hơn, ít bị mài mòn, có thời gian sử dụng dài hơn. Đặc biệt một số hợp kim có những tính chất quý như: Độ bền rất cao, tính cứng nóng cao, chống ăn mòn… - Hợp kim có tính công nghệ tốt: Có cơ tính tốt chưa đủ, để chế tạo thành các chi tiết, bộ phận máy còn phải có tính công nghệ tốt.
Kim loại nguyên chất có tính dẻo cao dễ biến dạng dẻo (kéo sợi, cán thành tấm, lá…) nhưng tính đúc, gia công cắt gọt kém. Tùy theo các thành phần hợp kim khác nhau có thể có tính đúc tốt, tính gia công cắt gọt cao và có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện… - Tính kinh tế cao: Về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo hợp kim thông thường dễ nấu hơn kim loại nguyên chất. Với kỹ thuật hiện đại, việc luyện kim loại nguyên chất vẫn còn gặp nhiều khó khăn do phải khử bỏ triệt để các tạp chất. Vì vậy sử dụng hợp kim trong chế tạo cơ khí là kinh tế hơn.
Tính chất chung của kim loại và hợp kim 2. Tính chất vật lý a. Vẻ sáng mặt ngoài: Chia ra làm 2 loại: Kim loại màu và kim loại đen - Kim loại màu và hợp kim đen: Là Fe và hợp kim của Fe với C (thép, gang ). - Kim loại màu và hợp kim màu: Là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại.
Khối lượng riêng: Là số đo khối lượng vật chất chứa trong một đơn vị thể tích của vật thể m γ= (Kg/m 3 ) V Trong đó: m - Khối lượng của vật thể ( Kg ) V - Thể tích của vật thể ( m3 ) c. Trọng lượng riêng: Là trọng lượng của một đơn vị thể tích của vật thể. Tính nóng chảy: Là tính chất của kim loại sẽ chảy loãng khi nung nóng và khi làm nguội.Tính dẫn điện: Là khả năng dẫn điện của kim loại và hợp kim f. Tính truyền nhiệt: Là khả năng truyền nhiệt của kim loại và hợp kim khi đốt nóng và khi làn nguội.
Tính nhiệt nung: Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 10C. Tính chất hóa học a. Khái niệm: Tính chất hoá học là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụng hóa học của môi trường xung quanh. Các đặc trưng: Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu hiện ở hai dạng chủ yếu sau: - Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của H2O và O2 của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao.
- Tính chịu axít: Là khả năng chống lại tác dụng của môi trường axít.Khái niệm: Tính cơ học của kim loại hay còn gọi là cơ tính là khả năng chống lại tác dung của lực bên ngoài lên kim loại.Các đặc trưng cơ bản của cơ tính: - Độ dẻo: Là khả năng thay đổi được hình dáng của kim loại và hợp kim mà không bị phá huỷ dưới tác dụng của ngoại lực. - Đô bền: Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự phá huỷ khi có ngoại lực tác dụng. - Độ cứng: Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ của kim loại và hợp kim dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài tại chổ ta ấn vào đó một vật cứng hơn. - Độ đàn hồi: Là khả năng của kim loại và hợp kim có thể trở lại hình dáng hoặc trạng thái ban đầu sau khi bỏ lực tác dụng.
Tính công nghệ a. Khái niệm: Tính công nghệ của kim loại và hợp kim là khả năng mà chúng có thể thực hiện được các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm khác nhau. Các đặc trưng: Tính đúc, tính hàn, tính gia công cắt gọt, gia công áp lực, tính nhiệt luyện. 10 Một kim loại hay hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quan trọng nhưng tính công nghệ kém thì cũng rất khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành phẩm.
Cơ tính của kim loại và hợp kim có thể xác định được bằng cách thí nghiệm các mẫu vật trên các thiết bị chuyên dùng như: Máy thử kéo nén, máy thử độ cứng. Hợp kim và biến đổi tổ chức 2. Cấu trúc tinh thể của 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.
Là vật liệu trong thành phần của nó gồm hai hay nhiều nguyên tố, nguyên tố chính là kim loại. Hợp kim mang tính chất của kim loại. Ví dụ: thép là hợp kim của sắt và cacbon. Duyra là hợp kim của nhôm – đồng – magiê.