Chương 1: Vật liệu và cơ tính của vật liệu | Bài giảng môn Cơ khí ứng dụng | Đại học Bách khoa hà nội

CƠ KHÍ ỨNG DỤNG
Mã học phần: CH3456
Khối lượng 3(3-1-0-6)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất CHƯƠNG 1
VẬT LIỆU VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU
1.1. Các khái niệm cơ bản về vật liệu chế tạo
1.1.1. Phân loại vật liệu
1.1.2. Cấu trúc của vật liệu
1.1.3. Các tính chất của vật liệu 1.2. Hợp kim đen 1.2.1 Gang
1.2.2 Thép carbon và thép hợp kim thấp 1.2.3 Thép hợp kim cao
1.2.4 Kỹ thuật nhiệt luyện thép
1.2.5 Kỹ thuật hoá nhiệt luyện
1.3. Kim loại màu và hợp kim 1.4. Vật liệu phi kim
1.5. Vật liệu Composite 1
1.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬT LIỆU CHẾ TẠO
1.1.1. Phân loại vật liệu Polyme 2
1.1.2. Cấu trúc của vật liệu kim loại
a) Cấu tạo và sự kết tinh của kim loại nguyên chất
Khác với hầu hết các vật liệu phi kim có cấu trúc vô định
hình, kim loại và hợp kim có cấu tạo tinh thể. Trong một đơn
tinh thể, các nguyên tử kim loại phân bố theo một qui luật nhất định.
- Các nguyên tử kim loại phân bố theo một quy luật nhất định
- Nhiều mạng tinh thể sắp xếp thành mạng không gian
- Mỗi nút mạng được coi là tâm của các nguyên tử 3 Lập phương đơn giản Lập phương thể tâm Lập phương diện tâm Lục phương Hình thoi 4
Sự kết tinh của kim loại
Mỗi kim loại nguyên chất có một đường nguội riêng 5
Sự kết tinh của kim loại
Sự kết tinh của kim loại 6
Sự kết tinh của kim loại
Sự thay đổi mạng tinh thể trong quá trình kết tinh Dạng ô cơ bản hoặc
thông số mạng có thể
biến đổi tuỳ theo điều kiện bên ngoài.
Ví dụ đối với sắt Fe, trong quá trình làm nguội,
mạng tinh thể có thể biến
đổi theo nhiều dạng thù hình khác nhau.
Đường biến đổi mạng tinh thể của sắt 7
b) Cấu tạo của hợp kim
Để phân biệt các hợp kim, cần sử dụng các khái niệm sau:
PHA là những phần tử của hợp kim có thành phần đồng
nhất ở cùng một trạng thái và ngăn cách với các pha khác
bằng bề mặt phân chia (nếu ở trạng thái rắn thì phải có sự
động nhất về cùng một kiểu mạng và thông số mạng)
Một tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng là hệ hợp kim
NGUYÊN là một vật chất độc lập có thành phần không đổi,
tạo nên các pha của hệ. Trong một số trường hợp nguyên
cũng là các nguyên tố hoá học hoặc là hợp chất hoá học có tính ổn định cao.
CÁC TỔ CHỨC HỢP KIM - Hợp kim có nhiều NGUYÊN có
thể hình thành từ nhiều tổ chức khác nhau như: dung dịch
đặc, hợp chất hoá học và hỗn hợp cơ học. Dung dịch đặc
Hai hoặc nhiều nguyên tố có khả năng hoà tan vào nhau ở
trạng thái đặc gọi là dung dịch đặc. Có hai loại dung dịch đặc:
Dung dịch đặc thay thế Dung dịch xen kẽ - Thay thế các nguyên tử
- Xen kẽ vào các các lỗ trống
ở nút mạng. giữa các nút mạng. - Có thể hoà tan vô hạn - Hoà tan có hạn 8 Hợp chất hoá học
Pha được tạo nên do sự liên kết giữa các nguyên tố khác
nhau theo một tỷ lệ xác định gọi là hợp chất hoá học
Ví dụ: Hợp chất hoá học Fe3C rất ổn định Hỗn hợp cơ học
Những nguyên tố không hoà tan vào nhau cũng không liên
kết để tạo thành hợp chất hoá học mà chỉ liên kết với nhau
bằng lực cơ học thuần tuý, thì gọi hệ hợp kim đó là hỗn hợp
cơ học. Hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng nguyên
tử của các nguyên tố thành phần. 9 Các dạng giản đồ hợp kim hai nguyên 10
1.1.3 Các tính chất của vật liệu xúc tác
1.1.3.1. Một số lý tính quan trọng của vật liệu 11
1.1.3.2. Một số cơ tính quan trọng của vật liệu a. Độ bền
Độ bền  là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực
mà không bị phá huỷ. Tuỳ theo dạng khác nhau của ngoại lực
mà ta có các loại độ bền sau: độ bền kéo ( k); độ bền
uốn(u); độ bền nén (n) v.v...
Ngoại lực P(N) tác dụng trên một thanh kim loại có diện tích
tiết diện ngang F0(mm2). Khi P đạt đến một giá trị nào đó làm
thanh kim loại bị đứt sẽ ứng với độ bền kéo của vật liệu đó: P   k  2 N / mm  0 F
Tương tự ta cũng đo được độ bền uốn và độ bền nén.    C B B B T K A   0 0 (a) Vật liệu dẻo (b) Vật liệu ròn
* Độ bền của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc 12 b. Độ cứng
Độ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục
bộ khi có ngoại lực tác dụng thông qua vật nén. Nếu cùng một
giá trị lực nén, lõm biến dạng trên vật đo càng lớn, càng sâu
thì độ cứng của mẫu đô càng thấp.
Brinell – HB, Rockwell – HR, Vickers - HV Độ cứng Brinell HB
- Để đo độ cứng Brinell ta dùng tải trọng P để ấn lên viên bi bằng
thép đã nhiệt luyện có đường kính D lên bề mặt vật liệu muốn thử.
- Tuỳ theo chiều dày của mẫu thử mà chọn đường kính viên bi D =
10mm, D=5mm hoặc D = 0,25mm, đồng thời tuỳ theo tính chất của
vật liệu mà chọn tải trọng P cho thích hợp:
+ Đối với thép và gang P = 30D2.
(Ví dụ viên bi có D = 10mm thì P = 30.102=3000KG).
+ Đối với đồng và kim loại đồng P = 10D2.
+ Đối với nhôm, babit và các hợp kim mềm khác P = 2,5D2.
Độ cứng Brinell được tính theo công thức [kG/mm2] 2 P D  D  2 2 HB  F   D  d F 2 2 trong đó
F là diện tích mặt cầu của vết lõm (mm2)
D là đường kính viên bi (mm);
d là đường kính của vết lõm (mm). 13 Độ cứng Rockwell
- Độ cứng Rockwell được xác định bằng cách dùng tải trọng P
ấn lên viên bi bằng thép đã nhiệt luyện có đường kính 1/16”
tức là 1,587mm (thang B) hoặc mũi côn bằng kim cương có
góc ở đỉnh 1200 (thang C hoặc A) lên bề mặt vật liệu thử.
Trong khi thử trị số độ cứng được chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ.
- Viên bi thép dùng để thử những vật liệu ít cứng còn mũi côn
kim cương dùng để thử các vật liệu có độ cứng cao như thép
đã nhiệt luyện. Tải trọng thử được tác dụng hai lần: tải trọng
sơ bộ P0=10KG, sau đó đến tải trọng chính P. Đối với viên bi
thép thì P=100KG (thang B trên đồng hồ, màu đỏ); còn đối với
mũi côn kim cương thì P=60KG (xem thang A trên đồng hồ, màu đen). 14
1.1.3.3. Một số tính chất công nghệ quan trọng
 Tính đúc được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co ngót và
tính thiên tích. Độ chảy loãng là khả năng điền đầy khuôn của
kim loại và hợp kim. Nếu độ chảy loãng càng cao thì tính đúc
càng tốt. Độ co ngót càng lớn thì tính đúc càng kém. Tính thiên
tích là sự không đồng nhất về thành phần hoá học của kim loại
trong các phần khác nhau của vật đúc. Thiên tích càng lớn thì
chất lượng vật đúc càng kém.
 Tính rèn là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu
tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiết mà
không bị phá huỷ. Thép có tính rèn cao khi nung nóng ở nhiệt độ
phù hợp vì khi đó tính dẻo lớn. Gang không có khả năng rèn vì
gang giòn. Đồng, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội.
 Tính hàn là khả năng tạo sự liên kết giữa các chi tiết hàn khi
được nung nóng cục bộ chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo. 1.2. HỢP KIM ĐEN 15 Xementit là hợp kim Fe-C 6,67%
Cứng, giòn, chịu mài mòn, tính công nghệ kém Xementit là hợp kim Fe-C 6,67%
Cứng, giòn, chịu mài mòn, tính công nghệ kém Xementit là hợp kim Fe-C 6,67%
Cứng, giòn, chịu mài mòn, tính công nghệ kém 16
Ostenit γ : Dung dịch đặc xen kẽ của C trong Fe γ Tại 727oC : 0,8%C Tại 1147oC : 2,14%C
- Pha dẻo, dai, dễ biến dạng. Chỉ tồn tại trên 727oC
- Chỉ có ý nghĩa khi gia công
rèn dập ở nhiệt độ cao
Ferit α : Dung dịch đặc xen kẽ của C trong Fe α Tại 727oC hoà tan 0,02%C
Nhiệt độ hoà tan giảm tạo ra Fe nguyên chất
- Dẻo, Mềm và Độ bền thấp 17 Peclit: (Tổ chức hai pha)
Hỗn hợp cơ học: F + XeII
cùng kết tinh ở thể rắn (Cùng tích Peclit) Peclit: (Tổ chức hai pha)
Hỗn hợp cơ học: F + XeII
cùng kết tinh ở thể rắn (Cùng tích Peclit)
Cùng tinh Lêđêbuarit (Le)
. Hỗn hợp cơ học: γ + Xe I
. (1147oC, 4,43%C): γ và Xe cùng kết tinh từ pha lỏng
- Độ cứng cao, giòn , (do Xe cao) 18 1.2.1. GANG
• Gang là hợp kim của sắt và cacbon, với hàm lượng cacbon
lớn hơn 2,14% và cao nhất là 6,67%. Cũng như thép trong
gang chứa các tạp chất Si, Mn, S, P và các nguyên tố khác.
Trong gang chỉ có 0,8~0,9 % ở dạng liên kết Fe3C còn lại ở dạng graphite tự do
• Do có hàm lượng cacbon cao nên đặc tính của gang là cứng
và giòn, có nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ đúc.
Theo tổ chức và cấu tạo của gang người ta chia ra: - Gang trắng - Gang xám - Gang cầu - Gang dẻo - Gang hợp kim Gang trắng
- Là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng liên kết Fe3C. Tổ
chức xêmentit có nhiều trong gang làm mặt gãy của nó có
màu sáng trắng nên gọi là gang trắng.
- Gang trắng rất cứng và giòn, tính cắt gọt kém, nên chỉ dùng
để chế tạo gang rèn hoặc chế tạo các chi tiết cần tính chống
mài mòn cao như bi nghiền, trục cán.
- Gang trắng chỉ hình thành khi có hàm lượng C, Mn... thích
hợp và với điều kiện nguội nhanh.
- Gang trắng không có ký hiệu riêng. 19 Gang xám
- Là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng graphít. Nhờ có
graphít nên mặt gẫy có mầu xám. Gang xám có độ bền nén
cao, chịu mài mòn, đặc biệt là có tính đúc tốt. Gang xám
-Gang xám gồm 3~3,6% C. Nhiệt độ nóng chảy khoảng
1250~1280°C, hệ số dẫn nhiệt =25,5~32,5 W/m2,  =
7000~7200kg/m3, nhiệt dung riêng c = 543,4 J/Kg K, E =
1,15~1,6.105 và =0,23~0,27. - Ký hiệu của gang xám:
+ Theo tiêu chuẩn Liên Xô: Cч21-40 + Theo TCVN: GX21-40
- Các chữ cái chỉ loại gang xám, các nhóm số chỉ độ bền.
Trong các ký hiệu trên thì kéo=21KG/mm2, uốn=40KG/mm2. 20