mở đầu: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬT LIỆU A. Mục tiêu: - Trình bày đƣợc cấu tạo, đặc điểm, phân loại vật liệu - Trình bày đƣợc các tính chất của vật liệu - Trình bày đƣợc các phƣơng pháp đánh giá tính chất của vật liệu - Tuân thủ các quy định, quy phạm về vật liệu học. CẤU TẠO VẬT LIỆU 1. Khái niệm về vật liệu cơ khí: Vật liệu là những vật rắn mà con ngƣời sử dụng để chế tạo công cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình, nhà cửa , thay thế các bộ phận cơ thể hoặc để thể hiện các ý đồ nghệ thuật nói chung.
Ba nhóm vật liệu dùng phổ biến trong công nghiệp là: Vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ – ceramic, vật liệu hữu cơ – polyme. Vật liệu kim loại: Vật liệu cơ khí là những vật có thể dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trƣng, có khả năng biến dạng dẻo tốt ngay ở nhiệt độ thấp nhƣng kém bền vững hóa học. Vật liệu kim loại thông dụng là thép, gang, đồng, nhôm, titan, niken…, và các hợp kim của chúng. Khi trong một khối kim loại chỉ gồm một nguyên tố hóa học thì gọi l kim loại nguyên chất.
Nếu trong đó có nhiều nguyên tố mà nguyên tố kim loại là chủ yếu thì gọi l hợp kim (hợp kim phải có tính kim loại). - Kim loại đen: là các kim loại và hợp kim trên cơ sở nguyên tố sắt (Fe), cụ thể là sắt nguyên chất. Hợp kim của nó là thép và gang. - Kim loại màu: là các kim loại và hợp kim trên cơ sở các nguyên tố kim loại cịn lại nhƣ nhôm (al), đồng (Cu), chì (Pb), thiết (Sn), kẽm (Zn), mangan (Mn), silic (Si), mơlipđen (Mo),… * Kim loại màu lại được phân làm các loại sau : - Kim loại nhẹ: là các kim loại và hợp kim có khối lƣợng riêng nhỏ hơn hay bằng 4g/cm3 nhƣ nhôm (Al), titan (Ti), magiê (Mg), liti (Li),… - Kim loại nặng: là các kim loại và hợp kim có khối lƣợng riêng lớn hơn 4g/cm nhƣ sắt (Fe), đồng (Cu), kẽm(Zn), niken (Ni), vôfram (w), môlipđen (Mo), 3 Ziếc côn (Zr),… 4 - Kim loại dễ chảy: l cc kim loại v hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của sắt (1539°C) nhƣ nhôm (660°C),chì (327°C),vàng (1063°C)… - Kim loại khó chảy: là các kim loại và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ nóng chảy của sắt nhƣ titan (1665°C), crôm (1875°C), wonfam (3380°C)… - Kim loại quý: l cc kim loại và hợp kim của chúng có tính chất rất bền (trơ, không tác dụng hóa học) với môi trƣờng thông thƣờng kể cả các loại axit nhƣ vàng, bạc, bạch kim,… - Kim loại hiếm : là các kim loại có trữ lƣợng rất ít trong vỏ quả đất nhƣ môlipđen, zieccon, lantan, xêri, xamari… Vật liệu vô cơ – ceramic: Vật liệu vô cơ – ceramic là các chất dẫn điện kém, không biến dạng dẻo và rất giòn, rất bền vững hóa học và nóng chảy ở nhiệt độ cao.
Thành phần cấu tạo của chúng là các hợp chất giữa kim loại và phi kim loại dƣới dạng oxit, cacbit, nitric. Các ceramic truyền thống là thủy tinh, gốm, sứ, gạch thƣờng và gạch chịu lửa. Ngoài ra còn ceramic công nghiệp và ceramic đặc biệt để sử dụng trong công nghiệp điện, điện tử, hàng không vũ trụ…. Vật liệu hữu cơ – polyme: Vật liệu hữu cơ – polyme là những chất dẫn điện kém, có khả năng biến dạng dẻo cao và giòn ở nhiệt độ thấp, bền vững hóa học ở nhiệt độ thƣờng.
Nóng chảy hoặc phân hủy ở nhiệt độ thấp. Hai nguyên tố thành phần chủ yếu của chúng là cacbon và hydro. Vật liệu hữu cơ tự nhiên tự nhiên: cao su, xenlulo. Vật liệu hữu cơ sử dụng rộng rãi hiện nay là các polyme tổng hợp polyetylen (PE), polyropilen (PP), polystyren (PS)….
Ngoài ba nhóm cơ bản trên còn có loại vật liệu kết hợp gọi là compozit, ví dụ: bê tông cốt thép (thép và bể tông), vật liệu kết hợp kim loại và polyme hoặc giữa polyme với ceramic, giữa ceramic với kim loại. Các vật liệu có các đặc điểm riêng: Vật liệu bán dẫn, siêu dẫn, vật liệu polyme dẫn điện, vật liệu silicon. Vai trò, ý nghĩa của vật liệu trong cuộc sống: Vật liệu nói chung đã và đang đóng vai trò quyết định đến sự tiến bộ và phát triển của xã hội loài ngƣời. Không phải ngẫu nhiên mà ngƣời ta đã gắn cho những giai đoạn lịch sử loài ngƣời những cái tên nhƣ: “Thời Đại Đồ Đá” “….
Việc sử dụng vật liệu mang ý nghĩa quyết định cho cả một thời đại. Vật liệu gắn liền với năng suất lao động, chất lƣợng và giá thành sản phẩm. Vật liệu và công nghệ là một trong những bí quyết hành đầu của các nhà sản xuất. 5 Riêng đối với ngành cơ khí, vật liệu và chế độ xử lý có vai trò đặc biệt quan trọng hơn hẳn các ngành sản xuất khác.
Sản phẩm cơ khí là công cụ của các ngành sản xuất khác. Công cụ lại là yếu tố quyết định chính đến năng suất, chất lƣợng sản phẩm. Ngành cơ khí sử dụng chủ yếu là vật liệu kim loại. Vật liệu này có một đặc tính rất quan trọng đó là khả năng biến đổi cơ tính trong một phạm vi rộng, phụ thuộc các phƣơng pháp xử lý khác nhau do con ngƣời cố ý tạo ra.
Điều này có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong quá trình hình thành sản phẩm cơ khí. (Gia công tạo hình dạng, kích thƣớc chíng xác cần vật liệu mềm dẻo. Sau gia công khi làm việc cần độ cứng, độ bền). Lịch sử nền sản xuất của xã hội loại ngƣời đã trải qua các giai đoạn: Lao động thủ công (Chân tay và công cụ thô sơ), Cơ khí hóa (sử dụng máy móc và công cụ hiện đại), điện khí hóa (Sử dụng nguồn năng lƣợng điện), Tự động hóa (Máy móc hoàn toàn thay thế con ngƣời), Tin học hóa (Dùng máy tính để điều khiển các quá trình sản xuất).
Điều đó không có nghĩa là vai trò của ngành cơ khí đã hết. Ngƣợc lại nó phát triển ngày càng mạnh và tinh xảo hơn ngay trong lòng sự phát triển của các ngành kĩ thuật sản xuất khác. Nhƣ vậy, hiện nay vật liệu kim loại vẫn có tầm quan trọng hàng đầu trong sản xuất cơ khí, giao thông vận tải, xây dựng,……Vì thế nó có vai trò quyết định trong quá trình tiến hóa của loài ngƣời. Khái quát quá trình phát triển ngành vật liệu: Con ngƣời đã biết sử dụng vật liệu kim loại từ rất lâu.
7000 năm trƣớc đây con ngƣời đã biết sử dụng Đồng và hợp kim của Đồng (năm 5000 năm trƣớc Công nguyên). Sau đó thời đại đồ sắt đã thay thế thời đại đồ đồng và vào khoảng 5000 năm trƣớc đây co ngƣời đã biết gia công vật liệu kim loại bằng các phƣơng pháp: Luyện , Rèn, Đúc. Đã tìm đƣợc những vật chứng bằng kim loại nhƣ dao kiếm có tuổi trên 5000 năm đã qua tôi, thấm Cacbon (Trung Hoa, Ấn Độ, Arập). Và sử sách cũng đã ghi lại.
Khoa học về vật liệu kim loại chỉ đƣợc thực sự phát triển từ thế kỷ thứ 19 khi công nghiệp và giao thông đƣờng sắt phát triển mạnh đòi hỏi phải tăng nhanh không những về số lƣợng mà cả về chất lƣợng thép. Vì vậy ngành luỵện kim đã phát triển mạnh và thúc đẩy việc nghiên cứu kim loại. Có thể đƣa ra các mốc lịch sử sau: Đầu thế kỉ 19 đã bắt đầu dùng kính hiển vi quang học để nghiên cứu cấu trúc và tổ chức bên trong của kim loại. 1868 Yephob, một kỹ sƣ luyện kim ngƣời Nga, khi nghiên cứu chế tạo nòng súng đại bác đã phát thảo sơ bộ những nét đầu tiên của giản đồ trạng thái Fe-C.
1900 giản đồ trạng thái Fe-C mới đƣợc hoàn thành về cơ bản và cho đến nay hầu nhƣ không có gì thay đổi, chỉ có các tọa độ đƣợc làm chính xác thêm mà thôi. 6 Thế kỉ 20 là thế kỉ đi sâu vào cấu trúc và giải thích các hiện tƣợng, có các mốc sau: Những năm 1920 – 1930 đã áp dụng tia RơnGen vào nghiên cứu cấu trúc, do đó đã phát hiện các quy luật sắp xếp nguyên tử của kim loại và hợp kim. Những năm 1950 đã có kính hiển vi điện tử cho phép phân li các kích thƣớc tới 0,2 – 0,4 m Nhờ áp dụng tia RơnGen và các phƣơng pháp vật lý khác ngƣời ta đã biết bản chất của các tổ chức nhiệt luyện. Từ những năm 1930 – 1940 đã hoàn chỉnh công nghệ nhiệt luyện.
Từ những năm 1950 trở lại đây đã nghiên cứu mạnh về khuyết tật trong cấu trúc kim loại và áp dụng các kết quả vào việc nâng cao độ bền. Từ những năm 1970 đã nghiên cứu các vật liệu siêu bền, siêu đàn hồi hoặc có các tính chất cơ lý đặc biệt (Kim loại vô định hình). Ở Việt Nam đã có lịch sử lâu đời về sản xuất và gia công vật liệu kim loại. Chúng ta đã có những sản phẩm có giá trị nhƣ trống Đồng Ngọc Lũ hiện đang đƣợc đặt tại trụ sở HĐLHQ, tƣợng Đồng đen, kỹ thuật đúc chuông đồng….Rất tiếc chúng ta không có tài liệu nào đƣợc lƣu truyền về các kỹ thuật đã đƣợc ông cha ta nghiên cứu sản xuất chúng.
Ngày nay việc nghiên cứu ở Việt Nam chủ yếu là áp dụng các vật liệu kim loại và các phƣơng pháp xử lí chúng trong chế tạo máy có một ý nghĩa vô cùng quan trọng. Nó giúp cho các sản phẩm cơ khí của ta ngày càng có sức cạnh tranh và đứng vững trên thị trƣờng. Cấu tạo của vật liệu: Vật rắn cấu tạo bởi các nguyên tử (phân tử), nhƣng tùy các loại vật rắn cấu tạo khác nhau sắp xếp nguyên tử (phân tử) của chúng khác nhau. Vật rắn trong tự nhiên có hai hình thức sắp xếp nguyên tử (phân tử): Vật rắn vô định hình và vật rắn tinh thể.
7 Vật rắn vô định hình là những vật rắn có cấu tạo mà các nguyên tử (phân tử) trong nó không có sắp xếp trật tự, không theo một quy luật nào. Ví dụ nhƣ than đá, thủy tinh, nhựa hữu cơ….thông thƣờng là phi kim loại. Vật rắn tinh thể: là những vật rắn có cấu tạo từ những nguyên tử (phân tử), có sắp xếp trật tự theo một quy luật nào đó. Trong tự nhiên những vật rắn tinh thể bao giờ cũng có hình dáng nhất định, thƣờng là những vật kim loại.