Giáo Trình Vật Liệu Cơ Khí Nghề Hàn Trình Độ Trung Cấp Năm 2020

Giáo trình vật liệu cơ khí nghề hàn trình độ trung cấp năm 2020 cung cấp kiến thức chuyên sâu cho sinh viên trường cao đẳng dầu khí.

• 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 Hàn Trung Cấp 2020
• Loại tài liệu: giáo trình
• Năm xuất bản: 2020
• 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
• 2. CHƯƠNG 2: HỢP KIM SẮT - CÁC BON
• 3. CHƯƠNG 3: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN
• 4. CHƯƠNG 4: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU
• 5. CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Vật Liệu Cơ Khí Nghề Hàn Trung Cấp 2020

Giáo trình Vật liệu cơ khí nghề hàn trung cấp 2020 được biên soạn nhằm cung cấp kiến thức cơ bản về vật liệu thường dùng trong ngành hàn. Tài liệu này không chỉ giúp người học nắm vững các loại vật liệu mà còn hiểu rõ về tính chất và ứng dụng của chúng trong thực tiễn. Nội dung giáo trình được xây dựng dựa trên thực tiễn sản xuất cơ khí tại Việt Nam, với sự tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu uy tín.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của giáo trình

Giáo trình nhằm trang bị cho người học kiến thức về tổ chức cấu tạo, thành phần và tính chất của các loại vật liệu như gang, thép, hợp kim màu. Điều này giúp người học có cơ sở để lựa chọn vật liệu phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.

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 hàn.

II. Những thách thức trong việc lựa chọn vật liệu hàn

Việc lựa chọn vật liệu hàn phù hợp là một thách thức lớn trong ngành công nghiệp chế tạo. Các yếu tố như tính chất cơ học, khả năng chịu nhiệt và độ bền của vật liệu cần được xem xét kỹ lưỡng. Sự lựa chọn sai lầm có thể dẫn đến hư hỏng sản phẩm và tăng chi phí sản xuất.

2.1. Tính chất cơ học của vật liệu hàn

Tính chất cơ học như độ bền kéo, độ cứng và độ dai va đập là những yếu tố quan trọng cần được đánh giá khi lựa chọn vật liệu hàn. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn.

2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến vật liệu hàn

Nhiệt độ trong quá trình hàn có thể làm thay đổi tính chất của vật liệu. Việc kiểm soát nhiệt độ là rất quan trọng để đảm bảo mối hàn đạt yêu cầu kỹ thuật.

III. Phương pháp đánh giá tính chất vật liệu hàn hiệu quả

Để đảm bảo chất lượng vật liệu hàn, các phương pháp đánh giá tính chất vật liệu cần được áp dụng một cách hiệu quả. Các phương pháp này bao gồm thử nghiệm độ bền kéo, độ cứng và độ dai va đập.

3.1. Thử nghiệm độ bền kéo

Thử nghiệm độ bền kéo giúp xác định khả năng chịu lực của vật liệu. Kết quả thử nghiệm này là cơ sở để đánh giá độ bền của mối hàn.

3.2. Phương pháp đo độ cứng

Đo độ cứng là một phương pháp đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hỏng chi tiết. Phương pháp Brinen thường được sử dụng trong thực tế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu hàn trong ngành công nghiệp

Vật liệu hàn có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ chế tạo máy móc đến xây dựng. Việc lựa chọn đúng loại vật liệu hàn sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

4.1. Vật liệu hàn trong chế tạo máy móc

Trong chế tạo máy móc, vật liệu hàn được sử dụng để kết nối các chi tiết lại với nhau, đảm bảo tính đồng nhất và độ bền cho sản phẩm cuối cùng.

4.2. Ứng dụng trong xây dựng

Trong ngành xây dựng, vật liệu hàn được sử dụng để gia cố kết cấu, đảm bảo an toàn và độ bền cho các công trình.

V. Kết luận và tương lai của giáo trình Vật liệu cơ khí

Giáo trình Vật liệu cơ khí nghề hàn trung cấp 2020 không chỉ cung cấp kiến thức cơ bản mà còn mở ra hướng đi mới cho người học trong việc áp dụng kiến thức vào thực tiễn. Tương lai của giáo trình sẽ tiếp tục được cập nhật và cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp.

5.1. Định hướng phát triển giáo trình

Giáo trình sẽ được cập nhật thường xuyên để phản ánh những thay đổi trong công nghệ và nhu cầu của thị trường lao động.

5.2. Tầm quan trọng của việc đào tạo nghề

Đào tạo nghề là yếu tố then chốt giúp nâng cao chất lượng nguồn nhân lực trong ngành công nghiệp, từ đó thúc đẩy sự phát triển kinh tế.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Vật liệu cơ khí (Mã môn học: CK19MH04) được ban hành kèm theo Quyết định số 196/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí trực thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam. Tài liệu do nhóm giảng viên gồm ThS. Lê Anh Dũng (Chủ biên), Trần Kim Khánh và Đỗ Văn Thọ trực tiếp biên soạn nhằm phục vụ công tác đào tạo nội bộ trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề.

Trong cấu trúc chương trình đào tạo, Vật liệu cơ khí được định vị là môn học kỹ thuật cơ sở (thuộc nhóm II.1), có thời lượng 3 tín chỉ với tổng số 45 giờ đào tạo (bao gồm 42 giờ lý thuyết và 3 giờ kiểm tra). Môn học được bố trí giảng dạy sau các môn học chung, đại cương (như Chính trị, Pháp luật, Tin học, Tiếng Anh, Hóa đại cương) và trước các mô đun kỹ thuật chuyên môn nghề Hàn (như Chế tạo phôi hàn HAN19MĐ01, Gá lắp kết cấu hàn HAN19MĐ02, Hàn hồ quang tay, Hàn MIG/MAG, Hàn TIG, Hàn FCAW).

Mục tiêu học tập của giáo trình hướng tới ba nhóm chuẩn đầu ra chính:

• Chuẩn kiến thức (A1): Trình bày tính chất chung và cấu tạo mạng tinh thể của kim loại, hợp kim; phương pháp đánh giá cơ tính; tổ chức và tính chất của giản đồ pha Fe-C; phân loại mác thép, gang; quy trình nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện; đặc điểm kim loại màu và vật liệu phi kim loại (chất dẻo, cao su, composite).
• Chuẩn kỹ năng (B1): Nhận biết, tra cứu chính xác ký hiệu mác thép, gang, hợp kim màu theo tiêu chuẩn; vận dụng kiến thức để lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công tạo hình chi tiết cơ khí.
• Chuẩn năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Tuân thủ kỷ luật lao động, chấp hành nội quy an toàn.

Cấu trúc giáo trình gồm 5 chương lý thuyết được biên soạn trên cơ sở thực tiễn sản xuất cơ khí. Điểm đặc sắc của tài liệu là phương pháp tiếp cận quy chuẩn hóa mác vật liệu: ưu tiên hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), đồng thời đối chiếu song song với hệ thống tiêu chuẩn Nga (ГОСТ) vốn phổ biến trong công nghiệp Việt Nam và giới thiệu các tiêu chuẩn quốc tế như SAE, AISI, ASTM của Hoa Kỳ.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

• Chương 1: Khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim (9 giờ): Trình bày hệ thống các tính chất chung gồm cơ tính, lý tính, hóa tính và tính công nghệ. Chương này phân tích cấu tạo tinh thể của kim loại nguyên chất với ba kiểu ô mạng cơ bản: Lập phương thể tâm (Fe-$\alpha$, Cr, W, Mo, V), Lập phương diện tâm (Fe-$\gamma$, Cu, Ni, Pb, Ag) và Lục phương dày đặc (Zn, Mg). Đi sâu vào quy luật biến đổi thù hình của sắt qua các khoảng nhiệt độ (1539°C, 1392°C, 911°C, 768°C), cơ chế kết tinh từ pha lỏng và các dạng tổ chức hợp kim (dung dịch đặc thay thế Cu-Au, xen kẽ Fe-C; hợp chất hóa học $\text{Fe}_3\text{C}$; hỗn hợp cơ học). Chương 1 cũng trình bày chi tiết các phương pháp thử nghiệm cơ tính: thử kéo, đo độ cứng (Brinell HB, Rockwell HRA/HRB/HRC, Vickers HV) và đo độ dai va đập ($a_k$) bằng mẫu Charpy hoặc Izod.

• Chương 2: Hợp kim sắt - các bon (18 giờ): Tập trung phân tích giản đồ trạng thái Fe-C ($<2{,}14%\text{ C}$ là thép; $2{,}14 - 6{,}67%\text{ C}$ là gang), các đường chuyển biến pha (đường lỏng ABCD, đường rắn AHJEF, đường cùng tinh ECF ở 1147°C, đường cùng tích PSK ở 727°C) và 5 tổ chức cơ bản: Ferit, Ostenit, Xementit, Peclit, Ledeburit cùng các điểm tới hạn $A_1$, $A_3$, $A_{cm}$. Chương 2 phân loại chi tiết: Thép cacbon (thông dụng CT38, kết cấu C45, dụng cụ CD80A); Các loại gang (gang trắng, gang xám GX15-32, GX21-40; gang cầu GC45-15 sử dụng chất biến tính Mg; gang dẻo GZ33-8, GZ45-6 thu được từ ủ gang trắng ở 900–1000°C trong 70–100 giờ; gang biến tính); Thép hợp kim (kết cấu, dụng cụ, thép gió chứa $8{,}5 - 9%\text{ W}$, $3{,}8 - 4{,}6%\text{ Cr}$, làm việc đến 650°C, thép làm khuôn) kèm theo quy chuẩn ký hiệu theo TCVN, tiêu chuẩn Nga và hệ thống 4 chữ số SAE.

• Chương 3: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện (5 giờ): Trình bày mục đích, các thông số công nghệ nhiệt luyện (nung nóng, giữ nhiệt, làm nguội); các phương pháp tôi kim loại, ủ, thường hóa, ram; phân tích nguyên nhân hư hỏng và biện pháp khắc phục; các kỹ thuật hóa nhiệt luyện như thấm cacbon (dùng thùng thấm), thấm nitơ, thấm xianit nhằm biến đổi thành phần và cơ tính bề mặt.

• Chương 4: Kim loại màu và hợp kim màu (7 giờ): Khái quát đặc tính công nghệ của kim loại màu; thành phần, tổ chức, giản đồ pha và ứng dụng của nhôm cùng hợp kim nhôm; đồng và hợp kim đồng (latông, brông); các kim loại màu chuyên dụng khác gồm niken, kẽm, chì, magie.

• Chương 5: Vật liệu phi kim loại (6 giờ): Cung cấp cấu trúc, tính chất của các loại chất dẻo nhiệt dẻo và nhiệt rắn thường dùng trong công nghiệp, vật liệu cao su kỹ thuật và các loại vật liệu composite nền polyme kết hợp cốt sợi.

Progression logic của giáo trình phát triển từ vi mô đến vĩ mô: bắt đầu từ cấu trúc tinh thể nguyên tử, chuyển biến pha trên giản đồ nhiệt động lực học, mở rộng ra các nhóm vật liệu kim loại cụ thể (thép, gang, kim loại màu), các phương pháp can thiệp tổ chức (nhiệt luyện), và hoàn thiện với các nhóm vật liệu kỹ thuật phi kim loại.

---

Kiến thức nền tảng được xây dựng

1. Lý thuyết chuyển biến thù hình và kết tinh kim loại: Quy luật biến đổi cấu trúc mạng của sắt nguyên chất ($\text{Fe}\delta \rightarrow \text{Fe}\gamma \rightarrow \text{Fe}\beta \rightarrow \text{Fe}\alpha$) tại các mốc nhiệt độ tới hạn; cơ chế tạo mầm (mầm tự sinh từ độ quá nguội, mầm có sẵn từ tạp chất) và sự phát triển hạt tinh thể ngăn cách bởi ranh giới tinh giới.
2. Nguyên lý cân bằng pha hệ Sắt - Cacbon: Cơ sở nhiệt động học của quá trình tạo pha từ dung dịch lỏng sang dung dịch đặc xen kẽ (Ferit, Ostenit), hợp chất hóa học có độ cứng cao ($\text{Fe}_3\text{C}$ chứa $6{,}67%\text{ C}$) và các tổ chức hỗn hợp cơ học cùng tinh (Ledeburit), cùng tích (Peclit).
3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học đến tổ chức và cơ tính:
   • Cacbon xác định tỷ lệ giữa pha dẻo (Ferit) và pha cứng giòn ($\text{Fe}_3\text{C}$).
   • Lưu huỳnh (S) kết hợp với sắt gây hiện tượng giòn nóng; Phốt pho (P) làm xô lệch mạng tinh thể gây hiện tượng giòn nguội (yêu cầu khống chế $\text{P, S} < 0{,}03 - 0{,}05%$).
   • Các nguyên tố hợp kim hóa: Cr tăng độ thấm tôi và tính chống ăn mòn; Ni nâng cao độ dai va đập; W hình thành cacbit nâng cao độ bền nóng; Si tăng giới hạn đàn hồi; Mn thúc đẩy tạo cacbit cản trở graphit hóa.

---

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills):

  • Tính toán các chỉ tiêu cơ tính dựa trên công thức thực nghiệm: $$\sigma_k = \frac{P}{F_0}$$ $$HB = \frac{P}{F}$$ $$HV = 1{,}8544 \cdot \frac{P}{d^2}$$ $$a_k = \frac{A}{F}$$
  • Đọc, giải mã và tra cứu các mác vật liệu theo TCVN (ví dụ: CT38, C45, CD80A, GX15-32, GC45-15, GZ33-8, 15Cr, 12Cr2Ni3A, 90CrSi), tiêu chuẩn GOST Nga (40X, 25XM, 9XC, 12XH3A) và tiêu chuẩn Mỹ SAE/AISI (ví dụ: SAE 2115, dãy thép không gỉ 30000, 51000).

• Kỹ năng phân tích (Analytical skills):

  • Khảo sát giản đồ trạng thái Fe-C để xác định nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến pha ($A_1, A_3, A_{cm}$ khi nung $Ac$ hoặc làm nguội $Ar$), từ đó nhận diện tổ chức tế vi tương ứng với hàm lượng cacbon xác định.
  • Phân tích nguyên nhân nứt hỏng, biến dạng hoặc sai hỏng cơ tính trong quá trình đúc, hàn và nhiệt luyện.

• Kỹ năng thực tiễn (Practical competencies):

  • Lựa chọn chủng loại mác vật liệu tương thích với yêu cầu làm việc thực tế của chi tiết máy (chi tiết chịu mài mòn, thân bệ máy chịu rung chấn, chi tiết đàn hồi, khuôn dập nóng/nguội, dụng cụ cắt gọt).
  • Xác định tính công nghệ của kim loại (tính hàn, tính cắt gọt, tính đúc, tính rèn dập, tính nhiệt luyện) để lập quy trình công nghệ gia công chi tiết.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình quy định phương pháp tiếp cận sư phạm tích cực, phối hợp giữa giảng dạy lý thuyết, giải quyết vấn đề và tự học có định hướng:

• Đối với người dạy: Sử dụng phương pháp diễn giảng ngắn, dạy học nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu chuyên ngành, tổ chức các buổi thảo luận chuyên đề và giao bài tập tình huống kỹ thuật cho từng chương học.
• Đối với người học: Thực hiện học tập kết hợp giữa cá nhân và nhóm nhỏ (4–6 người học). Nhóm trưởng phân công thành viên nghiên cứu tài liệu trước khi lên lớp, viết báo cáo chuyên đề và giải quyết các bài tập kỹ thuật (ví dụ: phân tích sự biến đổi mạng tinh thể, tra cứu cơ tính của các mác thép kết cấu).

Hoạt động bài tập thực hành được tích hợp thông qua hệ thống câu hỏi kiểm tra sau mỗi chương (câu hỏi tự luận, tình huống công nghệ, bài kiểm tra trắc nghiệm). Điều kiện thực hiện đòi hỏi giảng đường trang bị hệ thống máy chiếu (projector), máy vi tính, mô hình học tập trực quan và liên hệ thực tế khảo sát phương án gia công, sản xuất tại các nhà máy, xí nghiệp cơ khí.

Phương thức đánh giá kết quả học tập tuân thủ Quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội:

• Điểm kiểm tra thường xuyên (Trọng số 40%, hệ số 1): Thực hiện sau 15 giờ giảng dạy thông qua hình thức hỏi miệng, kiểm tra viết, trắc nghiệm hoặc báo cáo nhóm (đánh giá chuẩn A1–A3, B1–B3, C1–C2).
• Điểm kiểm tra định kỳ (hệ số 2): Đánh giá các chuẩn A4, B4, C3 sau các giai đoạn học tập.
• Điểm thi kết thúc môn học (Trọng số 60%): Thực hiện sau 45 giờ học bằng bài thi tích hợp tự luận và trắc nghiệm khách quan, đánh giá toàn diện chuẩn đầu ra (A1–A5, B1–B5, C1–C3).
• Điểm đánh giá chấm theo thang điểm 10 (làm tròn một chữ số thập phân) và quy đổi sang điểm chữ, thang điểm 4 phục vụ tích lũy tín chỉ.

Quy định tự học yêu cầu sinh viên nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo được cung cấp qua thư viện hoặc website trường trước mỗi buổi học; tham gia tối thiểu 70% tổng thời lượng lý thuyết (người học vắng quá 30% tổng số tiết lý thuyết buộc phải học lại toàn bộ môn học).

---

Điểm nổi bật và cập nhật

1. Chuẩn hóa hệ thống ký hiệu và quy chuẩn tương đương đa quốc gia: Giáo trình giải quyết vấn đề thực tiễn trong ngành cơ khí Việt Nam khi đối chiếu cụ thể các mác vật liệu theo TCVN 1765-75 (nhóm A, B, C; C45, CD80A, GX15-32, GC45-15, GZ33-8) với tiêu chuẩn GOST của Liên Xô (như 40X, 25XM, 9XC, 12XH3A, 0X18H10) và tích hợp hệ thống tiêu chuẩn Hoa Kỳ SAE/AISI/ASTM. Điều này hỗ trợ người học làm việc trực tiếp với các tài liệu kỹ thuật, bản vẽ thiết kế chế tạo từ nhiều nguồn chuyển giao công nghệ khác nhau.

2. Gắn kết chặt chẽ với điều kiện công nghệ ngành Dầu khí và Hàn kết cấu: Các nội dung kiến thức về tính hàn của kim loại, ảnh hưởng của xỉ và tạp chất khử oxy (Fe-Si, Fe-Mn), độ giòn nóng do lưu huỳnh (S), độ giòn nguội do phốt pho (P) và kỹ thuật nhiệt luyện/hóa nhiệt luyện được biên soạn phục vụ trực tiếp cho các mô đun kỹ thuật gia công phôi hàn, kết cấu chịu tải trọng cao, chi tiết làm việc trong môi trường áp suất và nhiệt độ biến đổi.

3. Hệ thống dữ liệu và công thức kiểm chuẩn cơ tính tường minh: Cung cấp đầy đủ các sơ đồ nguyên lý thí nghiệm, công thức tính toán và phạm vi ứng dụng của các thang đo độ cứng Brinell (mũi bi thép tải trọng $P = 30D^2$ hoặc $10D^2$), Rockwell (thang A đo vật liệu mỏng/cứng với mũi kim cương 60 kG; thang B đo vật liệu mềm với bi thép 100 kG; thang C đo thép sau tôi với mũi kim cương 150 kG) và Vickers.

4. Nền tảng tài liệu tham khảo học thuật chính thống: Nội dung giáo trình được tổng hợp và kế thừa từ các công trình đào tạo kỹ thuật cơ sở tại Việt Nam, bao gồm:

   • Trần Mão, Phạm Đình Sùng (1998), Vật liệu cơ khí, NXB Giáo dục.
   • Hoàng Trọng Bá (2007), Vật liệu phi kim loại, NXB Giáo dục.
   • Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức (2002), Vật liệu Composite, NXB Khoa học & Kỹ thuật.
   • Hoàng Tùng (2005), Vật liệu & công nghệ kim loại, NXB Giáo dục.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Học sinh, sinh viên:

  • Sinh viên trình độ Cao đẳng và học sinh trình độ Trung cấp chuyên ngành kỹ thuật: Hàn, Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khoan khai thác, Cơ khí chế tạo, Cơ khí sửa chữa.
  • Được sử dụng trong học kỳ đầu của khối kiến thức cơ sở ngành (sau khi hoàn thành các học phần đại cương).

• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học chung và môn cơ sở gồm: Hóa đại cương (CNH19MH09 - cung cấp khái niệm nguyên tử, phản ứng hóa học, dung dịch), An toàn – vệ sinh lao động (ATMT19MH01), Vẽ kỹ thuật (CK19MH01 - đọc hiểu bản vẽ cơ khí và yêu cầu kỹ thuật bề mặt).

• Giảng viên và cán bộ đào tạo: Sử dụng giáo trình làm khung chuẩn để xây dựng đề cương chi tiết, bài giảng lý thuyết, ngân hàng câu hỏi kiểm tra thường xuyên, đề thi kết thúc môn học và thiết kế các bài tập tình huống kỹ thuật cho sinh viên.

• Tự học và tra cứu kỹ thuật: Dành cho kỹ thuật viên cơ khí, thợ hàn bậc trung và cao cấp, nhân viên kỹ thuật tại các nhà máy chế tạo cơ khí, xí nghiệp dầu khí cần tra cứu thành phần, mác vật liệu và các chế độ nhiệt luyện thông dụng.

---

Câu hỏi thường gặp

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

Tài liệu được thiết kế chuyên biệt cho học sinh hệ trung cấp và sinh viên hệ cao đẳng khối kỹ thuật cơ khí, đặc biệt là nghề Hàn, Sửa chữa thiết bị dầu khí và Cơ khí chế tạo.

2. Cần trang bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học môn này?

Người học cần tích lũy kiến thức cơ bản từ môn Hóa đại cương (cấu tạo nguyên tử, liên kết hóa học), Vẽ kỹ thuật (đọc quy cách chi tiết máy) và An toàn lao động trước khi tiếp cận các nội dung về mạng tinh thể, giản đồ Fe-C và cơ tính vật liệu.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu vật liệu học khác là gì?

Giáo trình tập trung giải quyết bài toán lựa chọn vật liệu trong thực tiễn sản xuất cơ khí thông qua việc đối chiếu song song mác vật liệu theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), tiêu chuẩn Nga (GOST) và tiêu chuẩn Mỹ (SAE/AISI), đồng thời gắn kết trực tiếp với các công nghệ tạo phôi và hàn kết cấu.

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

Người học cần kết hợp đọc trước lý thuyết từng chương, tự vẽ và giải thích các đường chuyển biến pha trên giản đồ trạng thái Fe-C, hoàn thành các bài tập phân biệt ký hiệu mác thép/gang và tham gia thảo luận nhóm theo các chủ đề tình huống công nghệ do giảng viên giao.

5. Có những tài liệu bổ trợ nào được khuyến nghị kèm theo giáo trình?

Người học có thể tham khảo 4 tài liệu cơ sở được dẫn nguồn trong giáo trình gồm: Vật liệu cơ khí (Trần Mão, Phạm Đình Sùng), Vật liệu phi kim loại (Hoàng Trọng Bá), Vật liệu Composite (Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức) và Vật liệu & công nghệ kim loại (Hoàng Tùng).

---

Kết luận

Giáo trình Vật liệu cơ khí (Mã: CK19MH04) của Trường Cao đẳng Dầu khí cung cấp hệ thống tri thức cơ sở kỹ thuật hoàn chỉnh về tổ chức cấu tạo, cơ - lý - hóa tính, giản đồ pha Fe-C, phương pháp nhiệt luyện và quy chuẩn mác vật liệu kim loại, phi kim loại trong sản xuất công nghiệp.

Lộ trình học tập đề xuất là hoàn thành khối kiến thức cơ sở này trước khi chuyển tiếp sang các mô đun công nghệ chuyên môn như Chế tạo phôi hàn (HAN19MĐ01), Gá lắp kết cấu hàn (HAN19MĐ02) và các kỹ thuật hàn chuyên sâu (SMAW, GMAW, GTAW, FCAW, SAW). Tài liệu học tập bổ trợ chính bao gồm các giáo trình chuyên ngành của Nhà xuất bản Giáo dục, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật và hệ thống bảng tra cứu Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765-75.

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.