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 13/82 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 14/82 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 15/82 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 16/82 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.