Giáo trình Vật liệu cơ khí nghề Sửa chữa thiết bị Trường Cao đẳng Dầu khí 2022

Giáo trình vật liệu cơ khí cho nghề sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí cao đẳng 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 Sửa Chữa Thiết Bị Chế Biến Dầu Khí
• Loại tài liệu: giáo trình
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Bà Rịa-Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• LỜI GIỚI THIỆU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• GIÁO TRÌNH MÔN HỌC
• 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 sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí

Giáo trình vật liệu cơ khí nghề sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí 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 ngành chế biến dầu khí.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của giáo trình

Giáo trình này nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cần thiết về vật liệu cơ khí, từ đó giúp họ có thể áp dụng vào thực tiễn trong ngành sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí.

1.2. Cấu trúc và nội dung chính của giáo trình

Nội dung giáo trình bao gồm các chương về tính chất của kim loại, hợp kim, nhiệt luyện, và vật liệu phi kim loại, giúp sinh viên có cái nhìn tổng quát về vật liệu cơ khí.

II. Những thách thức trong việc sử dụng vật liệu cơ khí trong ngành dầu khí

Ngành chế biến dầu khí đối mặt với nhiều thách thức trong việc lựa chọn và sử dụng vật liệu cơ khí. Các yếu tố như môi trường làm việc khắc nghiệt, yêu cầu về độ bền và tính ổn định của vật liệu là những vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Tác động của môi trường đến vật liệu

Môi trường làm việc trong ngành dầu khí thường có nhiệt độ và áp suất cao, điều này yêu cầu vật liệu phải có khả năng chịu đựng tốt để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

2.2. Yêu cầu về độ bền và tính ổn định

Vật liệu sử dụng trong ngành chế biến dầu khí cần phải có độ bền cao và tính ổn định để tránh hư hỏng trong quá trình vận hành.

III. Phương pháp lựa chọn vật liệu cơ khí cho thiết bị chế biến dầu khí

Việc lựa chọn vật liệu cơ khí phù hợp là rất quan trọng trong ngành chế biến dầu khí. Các phương pháp lựa chọn vật liệu cần dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và kinh tế cụ thể.

3.1. Tiêu chí lựa chọn vật liệu

Các tiêu chí lựa chọn vật liệu bao gồm tính chất cơ học, khả năng chống ăn mòn, và chi phí sản xuất, giúp đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.

3.2. Các phương pháp thử nghiệm vật liệu

Các phương pháp thử nghiệm như kiểm tra độ bền kéo, độ cứng và độ dai va chạm là cần thiết để đánh giá chất lượng vật liệu trước khi sử dụng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu cơ khí trong ngành dầu khí

Vật liệu cơ khí được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế biến dầu khí, từ các thiết bị khai thác đến các hệ thống vận chuyển. Việc hiểu rõ ứng dụng của từng loại vật liệu sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.

4.1. Vật liệu trong thiết bị khai thác

Các thiết bị khai thác dầu khí thường sử dụng vật liệu có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt để đảm bảo hoạt động hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt.

4.2. Vật liệu trong hệ thống vận chuyển

Hệ thống vận chuyển dầu khí yêu cầu vật liệu có khả năng chịu áp lực cao và độ bền tốt để đảm bảo an toàn trong quá trình vận chuyển.

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

Giáo trình vật liệu cơ khí nghề sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí cao đẳng không chỉ cung cấp kiến thức cơ bản mà còn mở ra hướng đi mới cho sinh viên trong việc áp dụng kiến thức vào thực tiễn. Tương lai của ngành này sẽ phụ thuộc vào việc phát triển và cải tiến vật liệu mới.

5.1. Tầm quan trọng của giáo trình trong đào tạo

Giáo trình đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho ngành chế biến dầu khí, giúp sinh viên nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết.

5.2. Xu hướng phát triển vật liệu mới

Ngành dầu khí đang hướng tới việc phát triển các loại vật liệu mới có tính năng vượt trội, giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong sản xuất.

Nội dung chính

TỔNG QUAN VỀ GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU CƠ KHÍ (MÃ MÔ ĐUN: MECM53002)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Vật liệu cơ khí (mã môn học: MECM53002) là tài liệu học tập kỹ thuật cơ sở được ban hành theo Quyết định số 212/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Giáo trình do nhóm tác giả gồm ThS. Lê Anh Dũng (Chủ biên), Trần Kim Khánh và Đỗ Văn Thọ biên soạn nhằm phục vụ công tác đào tạo hệ cao đẳng chuyên ngành Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, đồng thời hỗ trợ các ngành liên quan như Vận hành thiết bị khoan khai thác, Cơ khí chế tạo và Kỹ thuật hàn.

Trong cấu trúc chương trình đào tạo gồm 100 tín chỉ (2.310 giờ), môn học Vật liệu cơ khí thuộc khối kiến thức cơ sở (nhóm II.1) với thời lượng 3 tín chỉ, tương đương 45 giờ học tập (bao gồm 42 giờ lý thuyết và 3 giờ kiểm tra). Vị trí của môn học được bố trí học sau các môn học đại cương và học trước các mô đun kỹ thuật nghề chuyên sâu.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định cụ thể theo ba nhóm chuẩn đầu ra:

• Về kiến thức (A1): Trình bày có hệ thống về tính chất chung của kim loại và hợp kim; phương pháp thí nghiệm xác định cơ tính; thành phần, cấu tạo tế vi và tính chất của các mác thép, gang; nguyên lý công nghệ nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện; khái niệm cơ bản về các nhóm vật liệu phi kim loại (chất dẻo, cao su, composite).
• Về kỹ năng (B1): Nhận diện chính xác ký hiệu mác thép, gang và hợp kim màu theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và tiêu chuẩn quốc tế; vận dụng lý thuyết để lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công tạo hình phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của chi tiết máy.
• Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Hình thành ý thức tuân thủ kỷ luật lao động, chấp hành các quy định an toàn lao động trong môi trường xưởng cơ khí và sản xuất công nghiệp.

Điểm đặc thù của giáo trình là cách tiếp cận gắn liền với thực tiễn sản xuất cơ khí, chú trọng hệ thống ký hiệu tiêu chuẩn kỹ thuật cụ thể (TCVN, GOST của Nga, SAE/AISI của Hoa Kỳ) thay vì mô tả vật liệu một cách định tính.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được cấu trúc thành 5 chương với tổng thời lượng 45 giờ theo logic phát triển từ bản chất vi mô đến ứng dụng vật liệu cụ thể:

• Chương 1: Khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim (9 giờ): Trình bày hệ thống bốn nhóm tính chất cơ bản (cơ tính, lý tính, hóa tính, tính công nghệ); cấu tạo mạng tinh thể không gian; quá trình kết tinh và chuyển biến thù hình; các dạng pha trong hợp kim (dung dịch đặc, hợp chất hóa học, hỗn hợp cơ học); phương pháp thí nghiệm đo độ bền kéo ($\sigma_b$), đo độ cứng (Brinell - $HB$, Rockwell - $HRA/HRB/HRC$, Vickers - $HV$) và đo độ dai va đập ($a_k$).
• Chương 2: Hợp kim Sắt - Cacbon (18 giờ): Khảo sát cấu trúc giản đồ trạng thái Fe - C; các tổ chức tế vi (Ferit, Ostenit, Xêmentit $\text{Fe}3\text{C}$, Peclit, Lêđêburit); các điểm tới hạn ($A_1, A_3, A{cm}$); phân loại, tính chất, ký hiệu thép cacbon (thông dụng, kết cấu, dụng cụ), các phân nhóm gang (gang trắng, gang xám, gang cầu, gang dẻo, gang biến tính); thép hợp kim và vật liệu hợp kim cứng.
• Chương 3: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện (5 giờ): Trình bày cơ sở lý thuyết chuyển biến pha khi nung nóng và làm nguội; giản đồ công nghệ nhiệt luyện; các phương pháp tôi thép; các phương pháp hóa nhiệt luyện như thấm cacbon (thấm than) nhằm biến tính bề mặt làm việc của chi tiết.
• Chương 4: Kim loại màu và hợp kim màu (7 giờ): Phân tích đặc điểm, cơ tính và phạm vi sử dụng của nhôm và hợp kim nhôm (dựa trên giản đồ trạng thái hệ hợp kim nhôm); đồng và hợp kim đồng (đồng thanh, đồng thau); các kim loại màu chuyên dụng khác.
• Chương 5: Vật liệu phi kim loại (6 giờ): Khảo sát các chất dẻo thường dùng trong công nghiệp (nhiệt dẻo, nhiệt rắn), cao su kỹ thuật và vật liệu composite ứng dụng trong chế tạo gioăng, đệm làm kín và chi tiết chống ăn mòn.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết vật liệu học cơ sở dựa trên ba trụ cột:

1. Lý thuyết cấu trúc tinh thể: Mô hình mạng không gian gồm mạng 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, Co, Mg); quy luật chuyển biến thù hình của sắt nguyên chất qua các mốc nhiệt độ $1539^\circ\text{C} \rightarrow 1392^\circ\text{C} (\text{Fe}\delta) \rightarrow 911^\circ\text{C} (\text{Fe}\gamma) \rightarrow 768^\circ\text{C} (\text{Fe}\beta) \rightarrow <768^\circ\text{C} (\text{Fe}\alpha)$.
2. Lý thuyết pha và giản đồ trạng thái: Phân tích trạng thái cân bằng pha, cơ chế hình thành dung dịch đặc thay thế (Cu-Au), dung dịch đặc xen kẽ (Fe-C), hợp chất hóa học $\text{Fe}_3\text{C}$ (Xêmentit chứa 6,67% C), cùng các chuyển biến cùng tinh ($1147^\circ\text{C}$) và cùng tích ($727^\circ\text{C}$) trên giản đồ Fe - C.
3. Lý thuyết hợp kim hóa và chuyển biến pha: Vai trò của các nguyên tố Si, Mn, Cr, Ni, W, V, Mo, Co trong việc tăng độ cứng, nâng cao tính bền nhiệt, chống ăn mòn và ổn định tổ chức tế vi của thép kết cấu và thép dụng cụ.

Dạng tổ chức pha / Hợp chất	Bản chất cấu trúc	Hàm lượng C (%)	Đặc trưng cơ tính nổi bật
Ferit ($\text{Fe}_\alpha$)	Dung dịch đặc xen kẽ của C trong $\text{Fe}_\alpha$	$\le 0,02%$ ở $727^\circ\text{C}$	Dẻo, mềm, độ cứng $80 - 100\text{ HB}$, giữ từ tính tới $768^\circ\text{C}$
Ostenit ($\text{Fe}_\gamma$)	Dung dịch đặc xen kẽ của C trong $\text{Fe}_\gamma$	$\le 2,14%$ ở $1147^\circ\text{C}$	Dẻo, dai, dễ biến dạng, ổn định ở nhiệt độ $>727^\circ\text{C}$
Xêmentit ($\text{Fe}_3\text{C}$)	Hợp chất hóa học giữa Fe và C	$6,67%$	Rất cứng ($760 - 800\text{ HB}$), giòn, chịu mài mòn cao
Peclit	Hỗn hợp cơ học cùng tích ($\text{Ferit} + \text{Xêmentit}$)	$0,8%$	Độ cứng tấm $200 - 250\text{ HB}$, độ cứng hạt $160 - 220\text{ HB}$
Lêđêburit	Hỗn hợp cơ học cùng tinh ($\text{Ostenit} + \text{Xêmentit}$)	$4,43%$ ở $1147^\circ\text{C}$	Độ cứng rất cao ($700\text{ HB}$), độ giòn lớn

Kỹ năng phát triển

Thông qua nội dung các chương, người học phát triển các nhóm năng lực kỹ thuật:

• Kỹ năng tính toán và đánh giá cơ tính: Vận dụng công thức xác định giới hạn bền kéo $\sigma_b = \frac{P}{F_0}$ ($\text{N/mm}^2$), độ cứng Brinell $HB = \frac{P}{F}$, độ cứng Vickers $HV = 1{,}8544 \frac{P}{d^2}$, và độ dai va đập $a_k = \frac{A}{F}$ ($\text{kJ/m}^2$).
• Kỹ năng giải mã tiêu chuẩn vật liệu: Đọc hiểu các mác thép cacbon thông dụng theo TCVN 1765-75 (nhóm A: CT38; nhóm B: BCT31; nhóm C: CCT31), thép kết cấu (C45 biểu thị 0,45% C), thép dụng cụ (CD80A tương đương Y8A của Nga), thép hợp kim (12Cr2Ni3, 90CrSi, OLCr1,5), gang xám (GX15-32), gang cầu (GC45-15), gang dẻo (GZ33-8), và hệ thống phân loại 4 chữ số theo SAE (ví dụ SAE 2115: thép Niken chứa 1,25-1,75% Ni và 0,15-0,25% C).
• Kỹ năng lựa chọn vật liệu kỹ thuật: Lựa chọn mác kim loại và phi kim thích ứng với điều kiện tải trọng tĩnh, va đập, nhiệt độ và môi trường ăn mòn của các cụm chi tiết cơ khí ngành dầu khí.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp sư phạm

Giáo trình quy định áp dụng phương pháp dạy học tích cực nhằm chuyển trọng tâm từ truyền thụ thụ động sang phát triển năng lực tự học của học viên:

• Giảng dạy lý thuyết: Kết hợp thuyết trình ngắn, phương pháp nêu vấn đề kỹ thuật và hướng dẫn người học tra cứu tài liệu tiêu chuẩn.
• Bài tập và thảo luận nhóm: Học viên được phân thành các nhóm nhỏ từ 4 đến 6 người. Nhóm trưởng phân công nhiệm vụ cho từng thành viên nghiên cứu chủ đề thảo luận (ví dụ: phân tích ảnh hưởng của tạp chất S, P gây hiện tượng giòn nóng và giòn nguội trong thép; so sánh cơ tính giữa gang cầu GC và gang dẻo GZ). Nhóm hoàn thiện báo cáo và trình bày trước lớp.
• Tự học có hướng dẫn: Người học chủ động nghiên cứu trước nội dung bài học tại nhà dựa trên tài liệu được cung cấp từ thư viện và hệ thống học liệu số.

Điều kiện thực hiện môn học

• Cơ sở vật chất: Phòng học lý thuyết đạt chuẩn, trang bị máy tính, máy chiếu (projector), bảng viết.
• Học liệu và mô hình: Sử dụng giáo trình môn học, phim ảnh kỹ thuật, sơ đồ giản đồ trạng thái Fe - C, mô hình cấu trúc ô mạng tinh thể và các mẫu thử nghiệm cơ tính thực tế.
• Thực tế sản xuất: Học viên kết hợp tìm hiểu thực tế về phương án gia công, quy trình chế tạo chi tiết máy tại xưởng thực hành hoặc nhà máy, xí nghiệp cơ khí dầu khí.

Phương pháp kiểm tra và đánh giá

Quy trình 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-BLĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội):

• Kiểm tra thường xuyên (hệ số 1) và định kỳ (hệ số 2): Chiếm trọng số 40% tổng điểm môn học. Hình thức đánh giá bao gồm hỏi miệng, viết tự luận, trắc nghiệm hoặc báo cáo chuyên đề sau mỗi 15 giờ học.
• Thi kết thúc môn học: Chiếm trọng số 60% tổng điểm môn học, tổ chức sau 45 giờ học bằng hình thức tự luận kết hợp trắc nghiệm hoặc thực hành.
• Quy đổi điểm: Điểm đánh giá chấm theo thang điểm 10 (làm tròn 1 chữ số thập phân), tính điểm tổng kết môn học theo trọng số, sau đó quy đổi sang thang điểm chữ (A, B, C, D, F) và thang điểm 4 theo quy chế đào tạo tín chỉ.
• Điều kiện dự thi: Học viên bắt buộc phải tham dự tối thiểu 70% tổng thời lượng lý thuyết trên lớp. Trường hợp vắng quá 30% số tiết, học viên không đủ điều kiện dự thi và phải đăng ký học lại môn học.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn hóa vật liệu

Tài liệu thể hiện rõ định hướng chuẩn hóa kỹ thuật thông qua việc xây dựng hệ thống đối chiếu mác vật liệu song song giữa nhiều tiêu chuẩn công nghiệp:

• Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1765-75): Định danh chi tiết nhóm thép cacbon thông dụng (CT38), thép cacbon kết cấu (C45), thép cacbon dụng cụ (CD80A), gang xám (GX15-32), gang cầu (GC45-15), gang dẻo (GZ33-8).
• Tiêu chuẩn Nga (GOST): Hệ thống hóa quy tắc ký hiệu mác thép hợp kim bằng chữ cái tiếng Nga (ví dụ: B - Vonfram, X - Crôm, H - Niken, M - Molipđen, C - Silic, T - Titan, K - Coban) qua các mác thép cụ thể như 40X, 9XC, 12XH3A.
• Tiêu chuẩn Hoa Kỳ: Giới thiệu nguyên lý phân loại mã số 4 chữ số của Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Hoa Kỳ (SAE), Viện Sắt Thép Hoa Kỳ (AISI) và Hiệp hội Kiểm tra Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM), giúp học viên tiếp cận các tài liệu kỹ thuật quốc tế.

Tích hợp ứng dụng kỹ thuật cơ khí dầu khí

Nội dung giáo trình gắn trực tiếp cơ tính vật liệu với ứng dụng chế tạo và sửa chữa cụm chi tiết thiết bị thực tế:

• Thép hợp kim kết cấu và nhiệt luyện: Khảo sát các nhóm thép thấm cacbon (15Cr, 20CrNi), thép hóa tốt (40Cr, 35CrMnSi), thép đàn hồi làm lò xo (65MnSi2), thép chịu mài mòn làm ổ lăn (OLCr1,5) phục vụ bảo dưỡng hệ thống truyền động.
• Thép hợp kim đặc biệt: Ứng dụng thép không gỉ (12Cr13, 12Cr18Ni9), thép bền nhiệt làm việc ở dải nhiệt độ $300 - 700^\circ\text{C}$ (12CrMo, 10Cr18Ni12) trong các đường ống dẫn lưu chất, lò gia nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt nhà máy chế biến dầu khí.
• Vật liệu hợp kim cứng: Giới thiệu công nghệ bột thiêu kết ở $1500^\circ\text{C}$ giữa hạt cacbit (WC, TiC, TaC) và chất kết dính Coban (Co), đạt độ cứng $85 - 92\text{ HRC}$ và chịu nhiệt tới $1000^\circ\text{C}$, phục vụ chế tạo mảnh dao cắt gọt kim loại năng suất cao.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Học viên và sinh viên: Tài liệu được thiết kế chuyên biệt cho học viên hệ cao đẳng và trung cấp nghề Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí. Đồng thời, giáo trình là tài liệu học tập nền tảng cho sinh viên các nghề Cơ khí chế tạo, Vận hành thiết bị khoan khai thác và Kỹ thuật hàn.
• Yêu cầu môn học tiên quyết: Người học cần hoàn thành khối kiến thức môn học chung (Tin học cơ bản COMP63006, An toàn vệ sinh lao động SAEN52001, Tiếng Anh FORL66001) và các môn cơ sở liên quan như Vẽ kỹ thuật (MECM52003) trước khi tiếp thu môn học này.
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng giáo trình làm khung tài liệu giảng dạy chuẩn, làm căn cứ thiết lập đề cương chi tiết, biên soạn giáo án lý thuyết, xây dựng bài tập tình huống và ngân hàng câu hỏi thi kết thúc mô đun.
• Cán bộ kỹ thuật và tự học: Tài liệu cung cấp bảng tra cứu cơ tính, thành phần hóa học và mác thép/gang tương đương, hỗ trợ kỹ thuật viên cơ khí tra cứu trong quá trình bảo dưỡng, sửa chữa van công nghiệp, bơm, máy nén khí và thiết bị phân tách tại hiện trường.

---

Câu hỏi thường gặp

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

Giáo trình được biên soạn phục vụ học viên trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí theo chương trình đào tạo của Trường Cao đẳng Dầu khí. Ngoài ra, tài liệu phù hợp làm học liệu kỹ thuật cơ sở cho sinh viên các ngành Cơ khí chế tạo, Vận hành thiết bị khoan khai thác, Kỹ thuật hàn và thợ cơ khí bảo dưỡng tại các xí nghiệp công nghiệp.

2. Người học cần đáp ứng kiến thức nền tảng nào trước khi học giáo trình?

Người học cần hoàn thành khối môn học chung bao gồm An toàn vệ sinh lao động (SAEN52001), Tin học cơ bản (COMP63006), Pháp luật và Tiếng Anh cơ bản. Việc nắm vững kiến thức Hóa học và Vật lý phổ thông giúp người học tiếp thu thuận lợi các khái niệm về mạng tinh thể, chuyển biến pha và phản ứng hóa học trên giản đồ Fe - C.

3. Giáo trình này có điểm gì khác biệt so với các tài liệu vật liệu cơ khí khác?

Giáo trình tập trung giải quyết bài toán định danh vật liệu thực tế bằng cách đối chiếu trực tiếp các mác thép, gang theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1765-75) với Tiêu chuẩn Nga (GOST) và hệ thống SAE/AISI của Hoa Kỳ. Tài liệu chú trọng cung cấp số liệu thực tế về cơ tính, công năng của từng mác vật liệu dùng trong chế tạo chi tiết máy công nghiệp thay vì chỉ trình bày thuần túy lý thuyết kim loại học.

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, làm việc theo nhóm từ 4-6 người để giải quyết các câu hỏi thảo luận cuối chương, chủ động đối chiếu bảng tra cứu mác thép với cấu tạo chi tiết máy thực tế (vỏ bơm, van, trục khuỷu, bánh răng). Đồng thời, người học phải tham dự tối thiểu 70% số tiết giảng lý thuyết để đủ điều kiện tham gia kỳ thi kết thúc môn học.

5. Có những tài liệu tham khảo nào được trích dẫn kèm theo giáo trình?

Giáo trình kế thừa và trích dẫn các tài liệu chuyên khảo chính thống gồm:

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

---

Kết luận

Giáo trình Vật liệu cơ khí (Mã mô đun: MECM53002) của Trường Cao đẳng Dầu khí cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện về tổ chức cấu tạo, cơ tính, phương pháp thử nghiệm và công nghệ nhiệt luyện kim loại, hợp kim và vật liệu phi kim loại.

Kiến thức của giáo trình là tiền đề trực tiếp để học viên tiếp thu các mô đun chuyên ngành tiếp theo trong chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, bao gồm: Gia công nguội cơ bản (MECM53104), Gia công cắt gọt kim loại (MECM54105), Sửa chữa - Bảo dưỡng van công nghiệp (MECM55106), Sửa chữa - Bảo dưỡng bơm (MECM53107) và Sửa chữa - Bảo dưỡng máy nén khí (MECM53108).

Tài liệu cung cấp nền tảng tra cứu chuẩn xác phục vụ việc lựa chọn vật liệu và xây dựng quy trình công nghệ chế tạo, sửa chữa thiết bị cơ khí công nghiệp.

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 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.