Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Vật liệu cơ khí (Mã mô đun: CK19MH04) được ban hành kèm theo Quyết định số 194/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Tài liệu do ThS. Lê Anh Dũng làm chủ biên cùng các tác giả Trần Kim Khánh và Đỗ Văn Thọ biên soạn tại Bà Rịa - Vũng Tàu.

Trong chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, Vật liệu cơ khí là môn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc thuộc nhóm II.1 (khối lượng 3 tín chỉ, tổng thời lượng 45 giờ gồm 42 giờ lý thuyết và 3 giờ kiểm tra). Môn học được bố trí giảng dạy sau các môn học chung (Chính trị, Pháp luật, Tin học, Tiếng Anh TA19MH01,...) và học trước các mô đun chuyên môn nghề như Gia công cắt gọt kim loại (CK19MĐ01), Sửa chữa bảo dưỡng van công nghiệp (CK19MĐ03), Sửa chữa bảo dưỡng bơm (CK19MĐ05), Sửa chữa bảo dưỡng máy nén khí (CK19MĐ07), Sửa chữa bảo dưỡng động cơ đốt trong (CK19MĐ08) và Hàn cơ bản (HCB19MĐ01).

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

  • Kiến thức: Trình bày được tính chất chung và các phương pháp đánh giá cơ tính của kim loại, hợp kim; mô tả thành phần, tổ chức tế vi và tính chất của các mác thép, gang; trình bày các phương pháp nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện; nhận diện các đặc tính cơ bản của vật liệu màu và vật liệu phi kim loại (chất dẻo, cao su, composite).
  • Kỹ năng: Nhận biết, tra cứu chính xác ký hiệu mác thép, gang, hợp kim màu theo các hệ tiêu chuẩn; vận dụng kiến thức vật liệu để lựa chọn chủng loại phù hợp với điều kiện làm việc cụ thể của chi tiết máy và phương pháp gia công tạo hình.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện ý thức kỷ luật lao động, tính cẩn trọng trong công việc và tuân thủ các quy định an toàn lao động tại xưởng sản xuất.

Cấu trúc giáo trình gồm 5 chương, tiếp cận theo logic từ cấu tạo tinh thể học cơ sở đến tính chất, giản đồ pha cân bằng nhiệt động học, các nhóm vật liệu kim loại đen, kim loại màu, công nghệ xử lý nhiệt và vật liệu phi kim. Điểm đặc sắc của tài liệu là việc ưu tiên chuẩn hóa hệ thống mác vật liệu theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), đồng thời cung cấp hệ thống quy chuẩn đối chiếu tương đương theo tiêu chuẩn Nga (GOST) và tiêu chuẩn Hoa Kỳ (SAE, AISI, ASTM).

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình gồm 5 chương chuyên đề với phân bổ thời lượng và cấu trúc logic như sau:

  • Chương 1: Khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim (9 giờ lý thuyết): Thiết lập hệ thống khái niệm về 4 nhóm tính chất cơ bản: cơ tính (độ bền $\sigma_k$, độ cứng HB/HR/HV, độ giãn dài tương đối $\delta%$, độ dai va đập $a_k$), lý tính (khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính giãn nở nhiệt, tính dẫn nhiệt, dẫn điện, từ tính), hóa tính (chịu ăn mòn, chịu axit, chịu nhiệt) và tính công nghệ (cắt gọt, hàn, rèn, đúc, nhiệt luyện). Trình bày cấu tạo tinh thể (mạng lập phương thể tâm, lập phương diện tâm, lục phương dày đặc), hiện tượng biến đổi thù hình của sắt ($\text{Fe}\alpha, \text{Fe}\gamma, \text{Fe}_\delta$), động học quá trình kết tinh và cấu trúc hợp kim (pha, hệ, dung dịch đặc thay thế/xen kẽ, hợp chất hóa học, hỗn hợp cơ học).
  • Chương 2: Hợp kim sắt - các bon (18 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra): Phân tích giản đồ trạng thái $\text{Fe}-\text{C}$ với các điểm tới hạn ($A_1=727^\circ\text{C}$, $A_3$, $A_{cm}$), các tổ chức cơ bản (Ferit, Ostenit, Xêmentit $\text{Fe}_3\text{C}$, Peclit, Leđeburit); đánh giá ảnh hưởng của các nguyên tố thường có ($\text{C}, \text{Si}, \text{Mn}, \text{P}, \text{S}$) và chất khí ($\text{N}_2, \text{O}_2$); phân loại và quy cách ký hiệu thép cacbon (thông dụng CT38, kết cấu C45, dụng cụ CD80A); phân loại và ứng dụng các loại gang (gang trắng, gang xám GX15-32, gang cầu GC45-15, gang dẻo GZ33-8, gang biến tính); nghiên cứu thép hợp kim (thép kết cấu 15Cr, 12Cr2Ni3A; thép dụng cụ 90CrSi; thép gió; thép làm khuôn dập nguội/nóng; thép không gỉ 12Cr13, 12Cr18Ni9; thép bền nhiệt 12CrMo, 10Cr20Ni80); giới thiệu hợp kim cứng thiêu kết trên cơ sở $\text{WC}, \text{TiC}, \text{TaC}$ với chất kết dính $\text{Co}$.
  • Chương 3: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện (5 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra): Trình bày nguyên lý các phương pháp nhiệt luyện (ủ, thường hóa, tôi, ram) nhằm thay đổi tổ chức và cơ tính của kim loại; phân tích cơ chế các phương pháp hóa nhiệt luyện bề mặt (thấm cacbon, thấm nitơ,...).
  • Chương 4: Kim loại màu và hợp kim màu (7 giờ lý thuyết): Khái quát đặc tính của kim loại màu; cấu tạo, phân loại, tính chất và phạm vi ứng dụng công nghiệp của nhôm và hợp kim nhôm, đồng và hợp kim đồng, cùng các kim loại màu chuyên dụng khác.
  • Chương 5: Vật liệu phi kim loại (5 giờ lý thuyết): Cung cấp kiến thức cơ sở về cấu tạo, tính chất và ứng dụng kỹ thuật của các chất dẻo công nghiệp, cao su và vật liệu composite trong cơ khí sửa chữa.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Lý thuyết nền tảng (Fundamental theories): Lý thuyết mạng tinh thể không gian và các kiểu ô mạng cơ bản; quy luật chuyển biến pha thù hình của sắt nguyên chất theo nhiệt độ ($1539^\circ\text{C} \rightarrow 1392^\circ\text{C} \rightarrow 911^\circ\text{C} \rightarrow 768^\circ\text{C}$); lý thuyết kết tinh tạo mầm và phát triển hạt tinh thể; nhiệt động học cân bằng pha trên giản đồ trạng thái $\text{Fe}-\text{C}$.
  • Nguyên lý cốt lõi (Core principles): Mối quan hệ biện chứng giữa thành phần hóa học, cấu trúc tổ chức tế vi và cơ tính của vật liệu; cơ chế biến dạng dẻo và phá hủy; nguyên lý hòa tan xen kẽ và thay thế trong dung dịch đặc; ảnh hưởng của tạp chất có hại (lưu huỳnh gây hiện tượng giòn nóng, photpho gây hiện tượng giòn nguội); cơ chế biến tính graphit hóa trong gang và nguyên lý hợp kim hóa bằng các nguyên tố $\text{Cr}, \text{Ni}, \text{W}, \text{V}, \text{Mo}, \text{Co}, \text{Si}, \text{Mn}$.
  • Hệ thống khung chuẩn (Essential frameworks): Hệ thống phân loại mác thép và gang theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1765-75), hệ thống ký hiệu kim loại của Liên Xô/Nga (GOST) và hệ thống phân loại 4 chữ số của Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Hoa Kỳ (SAE) cùng tiêu chuẩn AISI/ASTM.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Kỹ năng áp dụng công thức tính toán và phân tích các chỉ tiêu cơ tính thực nghiệm: giới hạn bền kéo $\sigma_b = P/F_0$ (trên máy kéo mẫu tiết diện tròn/chữ nhật), độ cứng Brinell $HB = P/F$, độ cứng Rockwell qua hiệu số độ lún $h_1$ (thang HRA, HRB, HRC), độ cứng Vickers $HV = 1,8544 P/d^2$, và độ dai va đập $a_k = A/F$ trên máy đập con lắc với mẫu Charpy ($10 \times 10 \times 55\text{ mm}$) hoặc Izod ($10 \times 10 \times 75\text{ mm}$).
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích các vùng pha và đường chuyển biến nhiệt độ trên giản đồ trạng thái $\text{Fe}-\text{C}$; giải mã thành phần hóa học định lượng từ ký hiệu mác thép (ví dụ: thép kết cấu $12\text{Cr}2\text{Ni}3\text{A}$, thép dụng cụ $90\text{CrSi}$, mác SAE $2115$); đánh giá tính hàn, tính đúc, tính rèn dập và tính gia công cắt gọt của từng nhóm vật liệu.
  • Năng lực thực hành chuyên môn (Practical competencies): Nhận diện chính xác quy cách vật liệu trên bản vẽ kỹ thuật; lựa chọn chủng loại vật liệu và chỉ định chế độ nhiệt luyện phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của từng chi tiết cơ khí (bệ máy, thân máy dùng gang xám GX; trục khuỷu, trục cán dùng gang cầu GC; lò xo dùng thép đàn hồi $65\text{MnSi}2$; dụng cụ cắt dùng thép gió hoặc hợp kim cứng thiêu kết).

Phương pháp giảng dạy và học tập

Định hướng sư phạm (Pedagogical approach)

Giáo trình thiết kế theo phương pháp dạy học tích cực, chuyển trọng tâm từ truyền thụ thụ động sang kết hợp giữa diễn giảng trọng tâm, nêu vấn đề kỹ thuật thực tiễn, vấn đáp và hướng dẫn sinh viên tự nghiên cứu tài liệu chuyên khảo.

Bài tập, thảo luận và hoạt động thực hành

  • Bài tập và nghiên cứu tình huống: Cuối mỗi chương đều tích hợp hệ thống câu hỏi lý thuyết và bài tập tình huống kỹ thuật (như phân tích biến đổi ô mạng tinh thể của $\text{Fe}$, giải thích bản chất tính công nghệ, phân tích ứng dụng của từng loại gang/thép).
  • Tổ chức học nhóm và tự học: Người học được phân chia 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 được giao trước buổi học, tiến hành tổng hợp tài liệu, ghi chép và xây dựng báo cáo chuyên đề của nhóm.
  • Yêu cầu đối với người học: Nghiên cứu bài trước khi đến lớp, chuẩn bị đầy đủ học liệu; tham dự tối thiểu 70% tổng thời lượng lý thuyết (người học vắng quá 30% số tiết quy định phải học lại môn học mới đủ điều kiện dự thi).

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 theo Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH của Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội, áp dụng tại Trường Cao đẳng Dầu khí:

Hình thức đánh giá Chuẩn đầu ra đánh giá Phương pháp & Hình thức tổ chức Thời điểm Trọng số điểm
Kiểm tra thường xuyên A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2 Hỏi miệng, câu hỏi kiểm tra ngắn hoặc báo cáo Sau 15 giờ học $40%$ (gồm TX hệ số 1 & ĐK hệ số 2)
Kiểm tra định kỳ A4, B4, C3 Viết tự luận, trắc nghiệm hoặc báo cáo thực hành Sau 15 giờ tiếp theo (Tính chung trong điểm quá trình)
Thi kết thúc môn học A1–A5, B1–B5, C1–C3 Tự luận kết hợp trắc nghiệm khách quan Sau 45 giờ (kết thúc mô đun) $60%$

Điểm đánh giá thành phần và điểm thi kết thúc môn học được chấm theo thang điểm 10 (làm tròn đến một chữ số thập phân), tính điểm tổng hợp theo trọng số, sau đó quy đổi sang điểm chữ và thang điểm 4 phục vụ tích lũy tín chỉ.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Gắn liền thực tiễn sản xuất cơ khí: Nội dung giáo trình được biên soạn trực tiếp trên cơ sở thực tế sản xuất cơ khí tại Việt Nam, có tham khảo kinh nghiệm giảng dạy môn học vật liệu tại các trường đại học kỹ thuật trong nước, đáp ứng trực tiếp yêu cầu bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị công nghiệp dầu khí.
  • Tích hợp đa hệ thống tiêu chuẩn quốc tế: Giáo trình giải quyết yêu cầu kỹ thuật thực tế khi không lựa chọn vật liệu chung chung mà quy định cụ thể theo mác thép, gang. Tài liệu ưu tiên chuẩn hóa theo TCVN (như TCVN 1765-75 cho thép cacbon thông dụng CT, thép kết cấu C, thép dụng cụ CD; ký hiệu gang GX, GC, GZ), đồng thời đối chiếu chi tiết với hệ tiêu chuẩn Nga GOST (mác thép chữ cái Cyrillic, gang C, B, K) và hệ tiêu chuẩn Hoa Kỳ SAE/AISI/ASTM.
  • Bổ sung các nhóm vật liệu kỹ thuật hiện đại: Ngoài các vật liệu kim loại truyền thống, giáo trình cập nhật kiến thức về thép hợp kim chất lượng đặc biệt (thép không gỉ 12Cr18Ni9, thép bền nhiệt 10Cr20Ni80, thép chịu nhiệt độ trên $800^\circ\text{C}$), hợp kim cứng thiêu kết đa cacbit ($\text{CW}, \text{CTi}, \text{CTa}$) chịu nhiệt tới $1000^\circ\text{C}$, cùng các vật liệu phi kim loại công nghiệp như cao su kỹ thuật và vật liệu composite.
  • Khung tài liệu tham khảo đồng bộ: Giáo trình kế thừa và trích dẫn các tài liệu chuyên ngành uy tín trong nước:
    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 và Kỹ thuật.
    4. Hoàng Tùng (2005), Vật liệu & công nghệ kim loại, NXB Giáo dục.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và học viên: Dùng cho học sinh, sinh viên trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí; học viên các ngành kỹ thuật liên quan như Vận hành thiết bị khoan khai thác, Cơ khí chế tạo và Công nghệ hàn.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành khối kiến thức đại cương và các môn học kỹ thuật cơ sở trước đó, bao gồm: Hóa đại cương (Mã: CNH19MH09), Hình học họa hình (Mã: CK19MH10) và Vẽ kỹ thuật (Mã: CK19MH01).
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuẩn mực cho môn học CK19MH04; làm căn cứ xây dựng đề cương bài giảng, thiết kế câu hỏi kiểm tra trắc nghiệm/tự luận, biên soạn ngân hàng bài tập tình huống và phân chia chủ đề thảo luận nhóm.
  • Cán bộ kỹ thuật và tự học: Tài liệu hỗ trợ kỹ thuật viên, thợ sửa chữa cơ khí tại các nhà máy lọc dầu, giàn khoan, xí nghiệp gia công cơ khí trong việc tra cứu nhanh cơ tính, thành phần hóa học, đối chiếu mác tương đương giữa TCVN, GOST, SAE/AISI để lựa chọn vật liệu thay thế trong bảo dưỡng thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

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

Giáo trình được biên soạn phục vụ đào tạo trình độ Cao đẳng và Trung cấp chuyên ngành Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, đồng thời dùng chung cho các ngành Cơ khí chế tạo, Vận hành thiết bị khoan khai thác và Hàn.

2. Cần hoàn thành những kiến thức nền nào trước khi học giáo trình này?

Người học cần tích lũy các môn học chung/đại cương cùng các môn kỹ thuật cơ sở nền tảng gồm Hóa đại cương (CNH19MH09), Hình học họa hình (CK19MH10) và Vẽ kỹ thuật (CK19MH01).

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

Giáo trình tập trung vào việc tra cứu và định danh mác vật liệu chi tiết theo tiêu chuẩn thực tế, cung cấp bảng đối chiếu song song giữa TCVN, tiêu chuẩn GOST (Nga) và SAE/AISI (Hoa Kỳ), phục vụ trực tiếp công tác sửa chữa, bảo dưỡng thiết bị công nghiệp.

4. Người học cần thực hiện phương pháp nào để tự học đạt kết quả tốt?

Cần tuân thủ quy trình học tập: đọc trước tài liệu trước khi lên lớp, tham gia thảo luận nhóm 4–6 người để giải quyết bài tập tình huống, bám sát các công thức xác định cơ tính và giản đồ trạng thái $\text{Fe}-\text{C}$, bảo đảm thời lượng tham dự lớp học trên 70%.

5. Giáo trình có những tài liệu bổ trợ nào đi kèm?

Tài liệu tích hợp hệ thống hình vẽ sơ đồ nguyên lý đo cơ tính (kéo nén, Brinell, Rockwell, Vickers, Charpy/Izod), giản đồ pha $\text{Fe}-\text{C}$, bảng tra thông số mác gang/thép và danh mục tài liệu tham khảo chuyên khảo của các tác giả Trần Mão, Hoàng Trọng Bá, Nguyễn Hoa Thịnh, Hoàng Tùng.

Kết luận

Giáo trình Vật liệu cơ khí (CK19MH04) của Trường Cao đẳng Dầu khí cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện về cấu tạo mạng tinh thể, cơ - lý - hóa tính, giản đồ trạng thái pha $\text{Fe}-\text{C}$, các công nghệ nhiệt luyện cùng hệ thống phân loại kim loại đen, kim loại màu và vật liệu phi kim.

Lộ trình học tập đề xuất bắt đầu từ việc nắm vững lý thuyết tinh thể học và phương pháp thử cơ tính ở Chương 1; làm chủ giản đồ pha, mác thép và gang ở Chương 2; tìm hiểu công nghệ thay đổi cơ tính bằng nhiệt luyện ở Chương 3; sau đó mở rộng sang nhóm hợp kim màu (Chương 4) và phi kim loại (Chương 5). Đây là khối kiến thức cơ sở trực tiếp chuẩn bị cho các mô đun thực hành chuyên môn tiếp theo như gia công cắt gọt, hàn và bảo dưỡng thiết bị cơ khí công nghiệp. Người học có thể mở rộng nghiên cứu thông qua các tài liệu tham khảo chuyên sâu về vật liệu phi kim và composite được dẫn giải trong giáo trình.